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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-77620
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2016/7762/


Non-equilibrium processes in strongly correlated electron systems with multiple orbital degrees of freedom

Nichtgleichgewichtsprozesse in stark korrelierten Elektronensystemen mit mehreren orbitalen Freiheitsgraden

Behrmann, Malte

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SWD-Schlagwörter: Physik , Theoretische Physik , Festkörperphysik , Nichtgleichgewicht
Freie Schlagwörter (Deutsch): Hubbard Modell , mehrere Orbitale
Freie Schlagwörter (Englisch): Hubbard model , Non-equilibrium , multiple orbitals
Basisklassifikation: 33.19 , 33.61 , 33.75
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Lechermann, Frank (Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 02.02.2016
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum: 02.03.2016
Kurzfassung auf Englisch: In this work a time-dependent (TD) extension of the slave boson mean-field theory (SBMFT) based on the TD-Gutzwiller approximation (TD-GA) is introduced. It is applied to the single- and multi-orbital fermionic Hubbard model out of equilibrium in different contexts. The influence of orbital fluctuations onto prethermalization, frozen dynamics and the dynamical metal to insulator (Mott) transition is investigated. While prethermalization and frozen dynamics remain qualitatively intact, the dynamical Mott transition broadens into an extended region of critical behavior. Additionally non-equilibrium magnetic responses with multiple orbital degrees of freedom at or away from half-filling are revealed. On the one hand a non-equilibrium magnetic transition from antiferromagnetic to a paramagnetic state is encountered in a wide range of fillings. One the other hand longitudinal (transient) spin oscillations are revealed, where transient property and filling dependence strongly depend on the specifics of the ground state. This provides a preview on multi-orbital physics to unveil by upcoming non-equilibrium experiments. To demonstrate the applicability of TD-SBMFT on real materials V2O3 is considered. Recently an up to now unpublished ultrafast laser experiment revealed a non-equilibrium Mott insulator to metal transition in this material. Results of this experiment are qualitatively reproduced and the transition is attributed to a quench in correlation enhanced crystal field. Furthermore a real-space formulation of TD-SBMFT is employed. It is applied in equilibrium on the challenging physics of oxygen vacancies at the LaAlO3/SrTiO3 interface. On this way the competition is revealed between Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)-like, double exchange-like and superexchange processes depending on the number of vacancies. Key results of experiments at the LaAlO3/SrTiO3 interface are reproduced underlining the vital role of oxygen vacancies concerning magnetism at the interface. Real-space TD-SBMFT is employed to compute magnetic excitations of the single-orbital Hubbard model. First a weak perturbation is considered. In the small interaction limit electron-hole excitations (Stoner excitations) are reproduced, while in the large interaction limit collective spin excitations (magnons) are recapped, both known from previous linear-response results. Afterwards strengths of real-space TD-SBMFT are utilized. Stoner excitations and magnons at intermediate interaction are revealed and their evolution into small or large interaction limit is traced. Additionally the perturbation is enhanced and the influence of the perturbation onto the magnon dispersion is investigated. This reveals perturbation-dependent magnon decay away from linear-response previously known from results in self-consistent Born approximation of the Heisenberg Spin model in strong magnetic field.
Kurzfassung auf Deutsch: In dieser Arbeit wird eine zeitabhängige (TD) Erweiterung der Slave Boson Mean-field Theory (SBMFT) basierend auf der TD-Gutzwiller Näherung (TD-GA) eingeführt. Sie wird angewandt auf das ein- und mehrorbitalige fermionische Hubbardmodell außerhalb des Gleichgewichts in verschiedenen Zusammenhängen. Zunächst wird der Einfluss von orbitalen Fluktuationen auf Prethermalisierung, frozen dynamics und den dynamischen Metall zu Isolator (Mott) Übergang untersucht. Während Prethermalisierung und frozen dynamics qualitativ intakt bleiben, verbreitert sich der dynamische Mott Übergang in eine Region kritischen Verhaltens mit oder ohne Hundscher Kopplung. Weiterhin werden magnetische Nichtgleichgewichtsreaktionen bei oder abseits von Halbfüllung unter Berücksichtigung mehrerer orbitaler Freiheitsgrade aufgedeckt. Zum Einen findet man einen magnetischen Nichtgleichgewichtsübergang zwischen antiferromagnetischen und paramagnetischen Zustand in einem großen Füllungsbereich. Zum Anderen werden longitudinale (temporäre) Spin Oszillationen entdeckt, wobei die temporäre Eigenschaft und die Füllungsabhängigkeit stark von dem Grundzustand abhängen. Diese Aspekte verschaffen einen Blick auf zu erwartende Multiorbitalphysik in zukünftigen Nichtgleichgewichtsexperimenten. Um die Anwendbarkeit von TD-SBMFT auf reale Materialien zu verdeutlichen wird V2O3 betrachtet. Kürzlich hat ein bis jetzt nicht publiziertes ultraschnelles Laser Experiment einen Nichtgleichgewicht Mott-Isolator zu Metall Übergang in diesem Material entdeckt. Ergebnisse dieses Experiments werden qualitativ reproduziert und der Übergang kann als Quench eines Korrelationsverstärkten Kristallfeldes verstanden werden. Außerdem wird eine Realraumformulierung von TD-SBMFT im Gleichgewicht angewandt auf die anspruchsvolle Physik von Sauerstoffleerstellen an der LaAlO3/SrTiO3 Grenzfläche. Auf diesem Weg wird die Konkurrenz von Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)-ähnlichen, double exchange-ähnlichen und superexchange Prozessen abhängig von der Anzahl der Leerstellen aufgedeckt. Schlüsselergebnisse von Experimenten an der LaAlO3/SrTiO3 Grenzfläche werden reproduziert, welches die wichtige Rolle von Sauerstoffleerstellen für Magnetismus an der Grenzfläche unterstreicht. Außerhalb des Gleichgewichts wird Realraum-TD-SBMFT verwendet, um magnetische Anregungen des Hubbardmodells mit einem Orbital zu berechnen. Zunächst liegt der Fokus auf einer schwachen Störung des Systems. Im Grenzfall niedriger elektronischer Wechselwirkung werden Elektron-Loch-Anregungen (Stoner-Anregungen) produziert, während im entgegengesetzten Grenzfall kollektive Spin-Anregungen (Magnonen) aufgedeckt werden. Diese beiden Ergebnisse reproduzieren lineare Antwort Ergebnisse. Danach werden Stärken von Realraum TD-SBMFT benutzt. Stoner Anregungen und Magnonen bei mittlerer Wechselwirkungsstärke werden aufgedeckt und die Entwicklung dieser Anregungen in den Grenzfall niedriger und starker Wechselwirkung wird verfolgt. Anschließend wird die Störung des Systems verstärkt und der Einfluß von der Stärke der Störung auf das Magnonenspektrum betrachtet. Dies zeigt störungsabhängigen Magnonenzerfall außerhalb von linearer Antwort, der zuvor mittels selbstkonsistenter Born Approximation im Heisenberg Spin Modell bei starken Magnetfeldern entdeckt wurde.

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