[논문 리뷰] Emergent Spacetime Supersymmetry at Superconducting Quantum Criticality of Single Dirac Cone

Zixiang Li, Abolhassan Vaezi외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 13.

Topological Materials and Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 서명 문제 없는 양자 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 2+1차원 양자 미세구조 모델에서 처음으로 ${\mathcal{N}}$=2 시공간 초대칭성(SUSY)의 기원을 입증한다—구체적으로는 인력 허버드 상호작용을 가진 단일 디랙 콘에서 발생한다. 초전도 큐빅 포인트(QCP)에서 페르미온과 보스온은 모두 1/3의 동일한 비정상 차수를 보이며, 이는 기원한 시공간 초대칭성의 결정적 증거이다.

ABSTRACT

No definitive evidence of spacetime supersymmetry (SUSY) that transmutes fermions into bosons and vice versa has been revealed in nature so far. Moreover, whether spacetime SUSY in 2+1 and more dimensions can occur or emerge in generic microscopic models remains open. Here, we introduce a lattice realization of a extit{single} Dirac fermion with attractive Hubbard interactions that preserves both time reversal and chiral symmetries. By performing state-of-the-art sign-problem-free quantum Monte Carlo simulations, we show that the interacting single Dirac fermion in 2+1 dimensions features a superconducting quantum critical point (QCP). More remarkably, we demonstrate that the ${\mathcal N}$=2 spacetime SUSY in 2+1D emerges at the superconducting QCP by showing that the fermions and bosons have extit{identical} anomalous dimensions 1/3, a hallmark of the emergent SUSY. To the best of our knowledge, this is the first observation of emergent 2+1D spacetime SUSY in quantum microscopic models. We further show some experimental signatures which can be measured to test such emergent SUSY.

연구 동기 및 목표

• 2+1차원에서 실현 가능한 양자 미세구조 모델 내에서 시공간 초대칭성이 기원할 수 있는지 조사하기 위해.
• 인력 허버드 상호작용을 가진 단일 디랙 페르미온이 초전도 큐빅 포인트(QCP)를 가질 수 있는지 확인하기 위해.
• 기원한 ${\mathcal{N}}$=2 시공간 초대칭성이 큐빅 포인트에서 보편적 스케일링 행동을 통해 나타나는지 테스트하기 위해.
• 응집물질 시스템에서 기원한 시공간 초대칭성을 실험적으로 측정 가능한 서식으로 식별하기 위해.

제안 방법

• 시간 역행 및 케일리 대칭성을 유지하는 단일 디랙 콘 모델에 인력 허버드 상호작용을 포함한 격자 모델을 구성하였다.
• 영온도에서 강한 상관관계를 가진 페르미온계를 연구하기 위해 서명 문제 없는 양자 몬테카를로 시뮬레이션을 활용하였다.
• 양자临계점에서 상관 함수의 스케일링 분석을 통해 페르미온 및 보스온 진동자의 비정상 차수를 추출하였다.
• 페르미온 및 보스온 전파함수의 스케일링 행동을 비교하여 동일한 비정상 차수를 탐지함으로써 시공간 초대칭성의 핵심 서식을 확인하였다.
• 상호작용 강도와 화학적 포텐셜을 조절하여 모델을 초전도 큐빅 포인트로 조정하였다.
• 상관 함수의 보편적 스케일링 콜라프스가 임계성을 확인하고 임계 지수의 정밀한 결정을 가능하게 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실현 가능한 미세구조 양자 모델 내에서 2+1차원에서 시공간 초대칭성이 기원할 수 있는가?
• RQ2 인력 허버드 상호작용을 가진 단일 디랙 페르미온이 초전도 큐빅 포인트를 나타내는가?
• RQ3 큐빅 포인트에서 페르미온 및 보스온 진동자의 비정상 차수가 동일한가, 이는 기원한 ${\mathcal{N}}$=2 시공간 초대칭성을 시사하는가?
• RQ4 이러한 시스템에서 기원한 시공간 초대칭성을 검출하기 위한 실험적으로 측정 가능한 서식은 무엇인가?

주요 결과

• 단일 디랙 콘 모델의 초전도 큐빅 포인트에서 페르미온 및 보스온 진동자의 동일한 비정상 차수 1/3가 관측되었으며, 이는 ${\mathcal{N}}$=2 시공간 초대칭성의 상징적인 특징이다.
• 서명 문제 없는 양자 몬테카를로 시뮬레이션에서 상관 함수의 보편적 스케일링 콜라프스를 통해 시공간 초대칭성의 기원이 확인되었다.
• 모델은 시간 역행 및 케일리 대칭성을 유지하므로 큐빅 포인트에서 기원한 초대칭성의 강건성을 보장한다.
• 임계 지수와 스케일링 행동은 ${\mathcal{N}}$=2 시공간 초대칭성을 지닌 등각장이론과 일치한다.
• 이 연구는 터널링 도전도의 보편적 스케일링 및 스핀-보스온 결합과 같은 특정 실험적 서식을 규명하여 실제 물질에서 기원한 초대칭성을 검증할 수 있는 길을 열었다.
• 본 연구는 양자 미세구조 모델에서 기원한 2+1차원 시공간 초대칭성의 첫 관측을 제시하며, 응집물질 및 고에너지 물리학 분야에서 오랫동안 남아있던 열린 질문을 해결하였다.