Ultrafast spin-charge quantum dynamics in strongly correlated systems

Abstract

In this thesis we investigate the possible role in a non-equilibrium phase transition ofnon-thermal fs dynamics of electronic, magnetic, and lattice coupled degrees of freedomwithin a theoretical framework based on Hubbard operators that treats the magnetic exchange interaction at the microscopic level. We propose a possible mechanism for photoinduced phase transition based on the interplay between a quasi-instantaneous electronic/magnetic pathway and a delayed lattice pathway. In particular, we discuss the possibility that the excitation ofcomposite fermion itinerant quasi-particles dressed by spin fluctuations triggers quasi-instantaneously an insulator to metal and AFM to FM phase transition by providing time-dependent numerical results based on real-space models by solving the quantum kinetic equations of motion. We examine in the role of spin fluctuations driven by photo-carrier populations that interact with a deformable spin and lattice medium. We also discuss the role of the quasi-particle energy bands, modified by fs laser excitation, which arisefrom electron-magnon coupling and the strong Hund’s rule local interaction.

Στη παρούσα εργασία, εξετάζουμε τον πιθανό ρόλο των μη-θερμικών διεργασιών σπιν, φορτίου και πλέγματος, στην επίτευξη υπερταχείας αλλαγής φάσης από μονωτή σε μέταλλο με την βοήθεια φωτοδιέγερσης από laser σε ισχυρώς συσχετιζώμενα συστήματα όπως οι μανγγανίτες. Χρησιμοποιώντας ένα θεωρητικό μοντέλο βασισμένο σε τελεστές Hubbard, περιγράφουμε την μαγνητική αλληλεπίδραση ανταλλαγής σε μικροσκοπικό επίπεδο και λαμβάνοντας υπόψιν τοπικά τις παραμορφώσεις του πλέγματος, παράγουμε τις εξισώσεις κίνησης των σπιν λύνοντας τις στον χρόνο παίρνοντας σαν αποτέλεσμα την δυναμική σπιν-φορτίου σε ατομικά συστήματα πραγματικού χώρου τοπικά. Επίσης παράγουμε την εξίσωση ιδιοτιμών της ενέργειας περιγράφοντας τις ενεργειακές ζώνες μέσω τελεστών “ψευδο-σωματίων” που περιλαμβάνουν διακυμάνσεις σπίν και φορτίου. Εξετάζουμε σε διάφορα μοντέλα την απόκριση των σπίν κατά την διάρκεια φωτοδιέγερσης μέσα σε 100fs και συζητούμε τον πιθανό τους ρόλο στην επίτευξη της μετάβασης φάσης από μονωτή σε μέταλλο και από αντισιδηρομαγνήτη σε σίδηρομαγνήτη. Μέσω τον αριθμητικών υπολογισμών μας δείχνουμε πως διαμορφόνοται τα σπιν σε κάθε άτομο του πλέγματος διακρίνοντας δύο σημαντικά φαινόμενα. Πρώτον είναι η καταστροφή της τάξης του φορτίου στο πλέγμα και δεύτερο η ανάπτυξη ισχυρών διακυμάνσεων σπιν. Εξετάζοντας την δυναμική των ενεργειακών ζωνών δείχνουμε ότι μέσω φωτοδιέγερσης αυτές οι δύο συνθήκες είναι ικανές να προκαλέσουν αύξηση της κινητικής ενέργειας, αλλαγή στα σπιν και στην κατανομή του φορτίου καθώς και χαλάρωση των πλεγματικών παραμορφώσεων με συνέπεια την ρήξη του ενεργειακού χάσματος μέσα σε 100fs. Τα αποτελέσματα μας πιθανών να εξηγούν πειραματικές παρατηρήσεις δημιουργίας φωτοδιεγερμένων μεταβάσεων φάσης σε συστήματα μανγγανιτών.