[論文レビュー] Time crystal phase in a superconducting ring

Ryosuke Yoshii, Satoshi Takada+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2014

Quantum and electron transport phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、時間結晶相を時間並進対称性の自発的破れを介して実現するため、静的なゼーマン磁場およびアハロノフ＝ボーム磁場を有する超伝導リングを提案する。ゼーマン磁場はフェルミエネルギーを分裂させ、対ポテンシャルに空間的周期性を誘導する。一方、磁束は持続的電流を生成する。両者を組み合わせることで、位相と振幅の両方に周期的変動を示す、ねじれたキック結晶（FFLO）相が安定化され、時間並進対称性の破れが生じる。

ABSTRACT

We demonstrate a possible setup to exhibit the spontaneous symmetry breaking of the time translation symmetry. Here we consider a quasi-one-dimensional superconducting ring with a static Zeeman magnetic field applied along the ring and static Aharonov-Bohm magnetic flux penetrating the ring. The superconducting ring with magnetic flux produces a persistent current, whereas the Zeeman split of Fermi energy results in the spatial modulation of the pair potential. We show that these two magnetic fields stabilize the twisted kink crystal (Fulde-Ferrel-Larkin-Ovchinnikov) phase, in which both the phase and amplitude have spatial modulations. In this phase, the time translation symmetry is spontaneously broken.

研究の動機と目的

• 超伝導リングにおける時間並進対称性の自発的破れを観測可能なプラットフォームを提示すること。
• 静的なゼーマン磁場と持続的電流の相乗作用が、特異な超伝導相を安定化させるメカニズムを調査すること。
• フェルド＝フェラル＝ラリン＝オフチニコフ（FFLO）相が空間的に周期的変動する秩序パラメータを示す条件を同定すること。
• 外部駆動が不要な超伝導系において、時間結晶的挙動を実現するメカニズムを確立すること。

提案手法

• 環状の一次元に近い超伝導リングに、周囲に沿って静的なゼーマン磁場を印加するモデルを構築する。
• リングを貫く静的なアハロノフ＝ボーム磁束を適用し、持続的超電流を誘導する。
• ゼーマン分裂と磁束に起因する位相の巻きつきを含む有効ハミルトニアンを導出する。
• 基底状態を解析し、秩序パラメータの振幅および位相に空間的周期性を示すねじれたキック結晶（FFLO）相の形成を特定する。
• 平均場理論を用いて、ゼーマン分裂と持続的電流の共存がFFLO相を安定化することを示す。
• 秩序パラメータの周期的時間発展が生じるため、この相において時間並進対称性が自発的に破れることが示される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 静的な磁場を有する超伝導リングは、時間並進対称性の自発的破れを示すことができるか？
• RQ2 ゼーマン分裂とアハロノフ＝ボーム磁束が、空間的に周期的変動する超伝導相をどのように共同で安定化するか？
• RQ3 外部駆動が存在しない状況で、持続的電流が時間結晶的秩序を可能にする役割は何か？
• RQ4 これらの磁場を有する超伝導リングにおいて、FFLO相がどのような条件下で出現するか？
• RQ5 静的場の配置下で、時間結晶的相は安定的かつ検出可能であるか？

主な発見

• ゼーマン分裂とアハロノフ＝ボーム磁束の共存が、秩序パラメータの振幅および位相の両方に空間的周期性を示すねじれたキック結晶（FFLO）相を安定化する。
• FFLO相は時間並進対称性を自発的に破り、外部駆動なしに秩序パラメータの周期的時間発展を生じさせる。
• アハロノフ＝ボーム磁束によって誘導される持続的電流は、ゼーマン分裂が存在する状況で時間結晶的状態を安定化させる上で不可欠である。
• 系は、内部多体相関に起因する、時間結晶に特徴的な自己組織的周期性を示す安定な時間的周期性を示す。
• 与えられた静的場の配置下で、この相は安定しており、時間結晶的秩序を維持するために周期的駆動を必要としない。