2023 Fiscal Year Research-status Report
Control theory of photo-induced dynamics in correlated electron systems utilizing phonon-excitation
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23KJ0883
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
稲吉 健 東京工業大学, 理学院, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2023-04-25 – 2025-03-31
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| Keywords | 非平衡物性 / 緩和ダイナミクス / 電子格子系 / 非平衡Green関数法 / 非平衡動的平均場理論 / Boltzmann方程式 / 温度モデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は電子と複数のフォノンモードが結合した系における緩和ダイナミクスの理論研究を行った。電子、ホットフォノン、熱浴フォノンが互いに結合した拡張Holsteinモデルを導入し、これを非平衡動的平均場理論（非平衡DMFT）を用いて解析した。非平衡DMFTを用いて導出されるフルエネルギーフローとそれに勾配近似と準粒子近似を適用して計算される近似エネルギーフローを比較することで、緩和ダイナミクスを説明するために必要な本質的な要素について調べた。
まず、電子格子結合が比較的弱い領域では、フルエネルギーフローの振る舞いを近似エネルギーフローでよく再現できることがわかった。これは、Green関数と自己エネルギーそれぞれから求まる非平衡分布または有効温度によって緩和ダイナミクスのミクロな起源を説明できることを示している。更に解析を進めることで、これらGreen関数と自己エネルギーから計算される有効温度の大小関係は、電子部分系とフォノン部分系それぞれの有効温度の大小関係に帰着できることがわかった。これは、電子格子結合が比較的弱い領域では、温度モデル同様、各部分系の有効温度が緩和ダイナミクスを説明するために重要であることを示している。
次により強い電子格子結合領域で緩和ダイナミクスを調べた。そこでは近似エネルギーフローがフルエネルギーフローの振る舞いを再現できず、非平衡分布や有効温度だけでは緩和ダイナミクスのミクロな起源を説明できないことがわかった。近似エネルギーフローを詳細に調べた結果、Boltzmann方程式や温度モデルを導出する際に用いられる勾配近似で無視されるGreen関数と自己エネルギーの時間及びエネルギー依存性に起因する非平衡系特有の動的相関効果が緩和のメカニズムの説明のために重要であることがわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、本研究計画を遂行する上で基盤となる拡張Holsteinモデルを導入し、そこでの緩和ダイナミクスを非平衡Green関数法・非平衡動的平均場理論というミクロな理論を用いて詳細に解析することが出来た。今後はこのモデルと本年度導入したエネルギーフロー方程式を活用することで、より発展的な研究が可能であると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は電子部分系の光励起によって生じる緩和ダイナミクスのみを解析しており、その緩和ダイナミクスに対するフォノン励起の影響は調べられていない。今後は拡張Holsteinモデルにフォノンを直接外場で励起する項を追加し、フォノン励起を活用した緩和ダイナミクス制御の研究を行いたいと考えている。
本年度は簡単のために無限次元系のBethe格子を用いて解析を行ったが、より現実的なセットアップを考えるためには、有限次元系（１、２次元系）や多軌道系を取り扱う必要がある。そのような系では非平衡Green関数法の計算コストが非常に大きい。そのため、計算コストやメモリコストを抑えた非平衡Green関数の数値計算手法の開発にも取り組みたいと考えている。
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| Causes of Carryover |
本年度は有限次元系での緩和ダイナミクス研究を行う段階までは到達しなかったため、非平衡Green関数の並列化計算のために必要な計算機メモリの購入は行わなかった。一方で、当初予定していたよりも多くの国際会議で研究成果を発表できたため、その旅費費用などに科研費を使用した。
次年度使用額と翌年度の研究費は高性能計算機の購入や国際学会への参加、国際共同研究のための旅費費用などに使用したいと考えている。
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