Boson-Mediated Electronic Correlations: From Phonons to Photons

Kovač, Klemen (author), Bonča, Janez (mentor), Golež, Denis (comentor)

This thesis investigates how bosonic environments reshape electronic correlations in quantum many-body systems, with emphasis on two complementary classes of mediators: lattice vibrations and quantized electromagnetic modes. The central question is how such bosonic degrees of freedom renormalize electronic motion, generate effective interactions, and open routes toward controlling correlated states. The first part of the thesis focuses on phonon-mediated correlations in the Holstein–Hubbard model. We study how dispersive optical phonons modify bipolaron binding, mobility, and single-particle spectra. We show that phonon dispersion can substantially reshape both the stability of bound pairs and their spectroscopic fingerprints. We further demonstrate that electron-removal spectra can already contain clear signatures of preformed pairs: a liquid of incoherent bipolarons exhibits a depletion of low-energy spectral weight near the chemical potential while remaining metallic, and its spectra can be understood in terms of a simple Bose-sea picture of hard-core pairs. The second part addresses nonequilibrium control of phonon-mediated interactions. For a system with nonlinear electron–phonon coupling driven by a short optical pulse, numerically exact time evolution reveals that phonon driving can switch the effective electron–electron interaction between attraction and repulsion. In the oscillator-softening regime, the pulse can create a long-lived metastable bound state that persists after the field is turned off, reflecting a configuration-selective redistribution of phonon excitations rather than a purely Floquet mechanism. The final part turns to photon-mediated correlations in structured electromagnetic environments. Within extended dynamical mean-field theory, we study a system in which intrinsic static interactions coexist with retarded photon-mediated couplings. The results reveal a superradiant-like ordered phase driven by the softening of a collective polaritonic mode and show that static interactions can assist the emergence of this order. Taken together, the thesis highlights bosons not only as mediators of correlations, but also can serve as a tool for controlling correlated electronic behavior.

• Language: English
• Keywords: boson-mediated electronic correlations, electron-phonon interaction, electron-photon interaction, polarons, bipolarons, preformed pairs, nonequilibrium dynamics, photon-mediated interactions, polaritons, extended dynamical mean-field theory
• Work type: Doctoral dissertation
• Typology: 2.08 - Doctoral Dissertation
• Organization: FMF - Faculty of Mathematics and Physics
• Year: 2026
• PID: 20.500.12556/RUL-182949
• COBISS.SI-ID: 280791299
• Publication date in RUL: 29.05.2026

Secondary language

• Language: Slovenian
• Title: Bozonsko posredovane elektronske korelacije: od fononov do fotonov

Abstract

Ta doktorska disertacija obravnava, kako bozonska okolja preoblikujejo elektronske korelacije v kvantnih mnogodelčnih sistemih, s poudarkom na dveh komplementarnih razredih mediatorjev: na nihanjih kristalne mreže in na kvantiziranih elektromagnetnih načinih. Osrednje vprašanje dela je, kako takšne bozonske prostostne stopnje renormalizirajo gibanje elektronov, generirajo efektivne interakcije in odpirajo pot za nadzor koreliranih stanj. Prvi del disertacije je posvečen fononsko posredovanim korelacijam v Holstein– Hubbardovem modelu. Preučujemo, kako disperzivni optični fononi vplivajo na vezavo bipolaronov, njihovo mobilnost in enodelčne spektre. Pokažemo, da lahko fononska disperzija bistveno preoblikuje tako stabilnost vezanih parov kot tudi njihove spektroskopske lastnosti. Nadalje pokažemo, da lahko spektri odstranitve elektrona že vsebujejo jasne sledi preformiranih parov: tekočina nekoherentnih bipolaronov kaže zmanjšanje nizkoenergijske spektralne teže v bližini kemijskega potenciala, čeprav ostaja kovinska, njene spektre pa je mogoče razumeti s preprosto sliko Bosejevega morja parov kot bozonov s trdo sredico. Drugi del obravnava neravnovesni nadzor fononsko posredovanih interakcij. Za sistem z nelinearno elektron–fononsko sklopitvijo, gnan s kratkim optičnim pulzom, numerično eksaktna časovna evolucija pokaže, da lahko fononsko vzbujanje preklopi efektivno elektron–elektronsko interakcijo med privlačno in odbojno. V režimu mehčanja oscilatorja lahko pulz ustvari dolgoživo metastabilno vezano stanje, ki vztraja tudi po izklopu polja; to odraža konfiguracijsko selektivno prerazporeditev fononskih vzbuditev in ne zgolj Floquetovega mehanizma. Zadnji del je posvečen fotonsko posredovanim korelacijam v strukturiranih elektromagnetnih okoljih. V okviru razširjene teorije dinamičnega povprečnega polja preučujemo sistem, v katerem intrinzična statična interakcija koeksistira z retardirano fotonsko posredovano sklopitvijo. Rezultati razkrijejo superradiantni fazi podobno urejeno stanje, do katerega privede mehčanje kolektivnega polaritonskega načina, ter pokažejo, da lahko statične interakcije prispevajo k nastanku tega reda. Disertacija pokaže, da bozoni niso le posredniki korelacij, temveč lahko omogočijo tudi nadzor koreliranega elektronskega obnašanja.

• Keywords: bozonsko posredovane elektronske korelacije, elektron-fononska sklopitev, elektron-fotonska sklopitev, polaroni, bipolaroni, preformirani pari, neravnovesna dinamika, fotonsko posredovane interakcije, polaritoni, razširjena teorija dinamičnega polja