[論文レビュー] Fermionic analogue of black hole radiation with a super high Hawking temperature

Hang Liu, Jia‐Tao Sun+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2018

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect参考文献 43被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、周期的に駆動される二次元ブラックホールナイトレート薄膜におけるフェルミオン的ブラックホール放射の類似現象を提案している。Floquet-Dirac状態が空間勾配を示し、シュバルツシルトブラックホール幾何を模倣する。タイプ-IIからタイプ-Iのディラックコーンに電子がトンネルする際、約3 Kという極めて高い温度のハーキング放射が発生し、従来の類似系と比較して数個のオーダーも高い。このため、フェルミオン的ハーキング放射の実験的観測が可能となる。

ABSTRACT

Measurement of gravitational Hawking radiation of black hole (BH) is prohibitive because of an extremely low Hawking temperature (TH). Here we demonstrate a fermionic analog of BH with a super high TH ~ 3 K, which is several orders of magnitude higher than previous works. We propose that Floquet-Dirac states, formed in a periodically laser driven two-dimensional black phosphorous thin film, can be designed with a spatial gradient to mimic the "gravity" felt by fermionic quasiparticles as that for a Schwarzschild BH (SBH). Quantum tunneling of electrons from a type-II Dirac cone (inside BH) to a type-I Dirac cone (outside) emits a SBH-like Hawking radiation spectrum.

研究の動機と目的

• 宇宙におけるブラックホールのハーキング放射が極めて低い温度に起因する実験的検出の困難を克服すること。
• 顕著に高いハーキング温度を持つフェルミオン的ハーキング放射を模倣する凝縮系を設計すること。
• 周期的に駆動されたディラック材料を用いて、シュバルツシルトブラックホールの可変的・制御可能な類似系を実現すること。
• ディラックコーンの遷移に伴う電子の量子トンネル効果が、ホライズンに類似した境界を越えて発生するハーキング的放射スペクトルを示すことを実証すること。

提案手法

• 周期的レーザー駆動を受ける二次元ブラックホールナイトレート薄膜を用いて、Floquet-Dirac状態を生成する。
• 準粒子の有効質量および速度に空間勾配を付与することで、シュバルツシルトブラックホールの重力ポテンシャルを模倣する。
• ホライズン内部のタイプ-IIディラックコーンから外部のタイプ-Iディラックコーンへの遷移を構築し、電子トンネルのためのホライズンを形成する。
• 量子トンネル理論を適用して、ホライズンを越えて発生する電子の放射スペクトルを計算し、ハーキング放射に類似した現象を再現する。
• 有効場理論およびバンド構造工学を用いて、系のダイナミクスを曲がった時空幾何にマッピングする。
• トンネル率の数値シミュレーションを通じて、明確に定義された温度を持つ熱的スペクトルの出現を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェルミオン的ハーキング放射の類似現象を、顕著に高いハーキング温度を持つ固体系で実現可能か？
• RQ2 二次元ディラック材料の周期的駆動が、準粒子の有効ブラックホールホライズンをどのように生成するか？
• RQ3 この系で発生する放射の温度は何か？ また、従来の類似系と比較してどう異なるか？
• RQ4 タイプ-IIからタイプ-Iのディラックコーンへの電子トンネルが、ハーキング放射の熱的スペクトルをどの程度再現するか？
• RQ5 系のパラメータを調整することで、実験的に観測可能なハーキング温度を達成できるか？

主な発見

• 本系ではハーキング温度が約3 Kに達し、従来の類似系と比較して数個のオーダーも高い。
• ホライズンを越えて発生する電子の放射スペクトルは、ハーキング放射に特徴的な熱的分布を示す。
• レーザー駆動によるFloquet-Dirac状態が誘導する有効時空幾何は、シュバルツシルトブラックホールの事象の地平線を効果的に模倣している。
• タイプ-IIからタイプ-Iのディラックコーンへの量子トンネルは、期待されるハーキング放射の特徴を示す準粒子フラックスを生成する。
• 超高速レーザー制御を用いたブラックホールナイトレートヘテロ構造を用いた現在の実験的プラットフォームで、本提案は実現可能である。
• 高い温度とフェルミオン的性質を持つ放射のため、本系は将来的なハーキング放射の実験的観測に有望な候補である。