[논문 리뷰] Fermionic analogue of black hole radiation with a super high Hawking temperature

Hang Liu, Jia‐Tao Sun외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 03.

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect참고 문헌 43인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 주기적으로 구동되는 이차원 흑연화물(블랙 펄프록스) 필름에서 페르미온성 블랙홀 복사의 유사체를 제안한다. 여기서 플로케트-디랙 상태의 공간적 기울기가 색소르드 블랙홀 기하학을 모방한다. 타입-II에서 타입-I 디랙 원추로 전자 터널링이 발생할 때, 약 ~3 K의 매우 높은 온도로 호킹 복사가 발생하며, 이는 이전의 유사체들보다 수 개의 주기만큼 높은 것으로, 실험적 관측이 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 우주론적 블랙홀에서 호킹 복사의 온도가 매우 낮아 실험적 탐지가 어려운 문제를 해결하기 위해.
• 상당히 높은 호킹 온도를 갖는 페르미온성 호킹 복사 유사체를 갖는 응집물질 시스템을 설계하기 위해.
• 주기적으로 구동되는 디랙 물질을 사용해 조절 가능하고 제어 가능한 색소르드 블랙홀 유사체를 실현하기 위해.
• 디랙 원추 전이에서 시공간 경계에 유사한 사건의 지평선을 가로질러 전자의 양자 터널링을 보여주어 호킹 유사 복사 스펙트럼을 생성하기 위해.

제안 방법

• 주기적으로 레이저로 구동되는 이차원 블랙 펄프록스 박막을 사용해 플로케트-디랙 상태를 생성한다.
• 준입자들의 효과적 질량과 속도에 공간 기울기를 조작하여 색소르드 블랙홀의 중력 포텐셜을 모방한다.
• 내부(지평선 안)에 타입-II 디랙 원추가 있고 외부(지평선 외)에 타입-I 디랙 원추가 있는 시스템을 구성하여 전자 터널링을 위한 지평선을 만든다.
• 양자 터널링 이론을 적용해 지평선을 가로질러 전자 방출 스펙트럼을 계산하며, 이는 호킹 복사와 유사하다.
• 효과적 장 이론과 밴드 구조 설계를 사용해 시스템의 역학을 곡률이 있는 시공간 기하학으로 매핑한다.
• 터널링 속도의 수치 시뮬레이션을 통해 잘 정의된 온도를 갖는 열적 스펙트럼의 존재를 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 페르미온성 호킹 복사의 유사체는 고체계에서 상당히 높은 호킹 온도를 갖는 것으로 실현 가능한가?
• RQ2 이차원 디랙 물질의 주기적 구동이 준입자에 대한 효과적 블랙홀 지평선을 어떻게 생성하는가?
• RQ3 이러한 시스템에서 방출되는 복사의 온도는 얼마이며, 이는 이전의 유사체들과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 타입-II에서 타입-I 디랙 원추로의 전자 터널링이 호킹 복사의 열적 스펙트럼을 어느 정도 재현하는가?
• RQ5 시스템의 매개변수를 조절해 실험적으로 관측 가능한 호킹 온도를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 이 시스템은 약 3 K의 호킹 온도를 달성하였으며, 이는 이전의 유사체들보다 수 개의 주기만큼 높은 것이다.
• 지평선을 가로질러 방출되는 전자의 스펙트럼은 호킹 복사의 특징적인 열적 분포를 보인다.
• 레이저로 구동되는 플로케트-디랙 상태에 의해 유도된 효과적 시공간 기하학은 색소르드 블랙홀의 사건의 지평선을 성공적으로 모방한다.
• 타입-II에서 타입-I 디랙 원추로의 양자 터널링은 예상되는 호킹 복사 신호와 일치하는 준입자 플럭스를 유도한다.
• 초고속 레이저 제어를 통해 블랙 펄프록스 이중막을 이용해 현재의 실험 플랫폼에서 제안된 설정을 실현할 수 있다.
• 높은 온도와 페르미온 성격을 갖는 복사 덕분에 이 시스템은 향후 실험적 관측을 통한 호킹 복사 연구에 매우 유망한 후보이다.