[논문 리뷰] Time crystal phase in a superconducting ring

Ryosuke Yoshii, Satoshi Takada외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 14.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 시간 이동 대칭성의 자발적 위반을 통해 시간 결정 상을 실현하기 위해 고정된 제이만 및 아하로노프-보함 자기장이 작용하는 초전도 링을 제안한다. 제이만 필드는 페르미 에너지를 분리시켜 쌍형성 전위의 공간적 조절을 유도하고, 플럭스는 지속 전류를 생성한다; 이 둘이 함께 작용하여 위상과 진폭 조절을 공존시키는 비틀린 키앙크 결정(FFLO) 상을 안정화시키며, 이는 시간 이동 대칭성의 위반을 초래한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초전도 링에서 자발적 시간 이동 대칭성 위반을 관측할 수 있는 플랫폼을 제시하는 것.
• 고정된 제이만 필드와 지속 전류 간의 상호작용이 비정상적인 초전도 상을 안정화시키는 방식을 탐구하는 것.
• 푸르데-페럴-라리킨-오프친니코프(FFLO) 상이 공간적으로 조절된 오더 파라미터를 갖는 조건을 규명하는 것.
• 외부 주기적 자극 없이도 초전도 시스템에서 시간 결정 행동을 유도하는 메커니즘을 수립하는 것.

제안 방법

• 고정된 제이만 자기장이 링의 둘레에 따라 작용하는 1차원에 가까운 초전도 링을 모델링하는 것.
• 링을 관통하는 고정된 아하로노프-보함 플럭스를 적용하여 지속 초전류를 유도하는 것.
• 제이만 분리와 플럭스에 의해 유도되는 위상 와이어를 포함한 효과적 하미르토니안을 유도하는 것.
• 지속 전류와 제이만 분리의 공존이 오더 파라미터의 진폭과 위상 양쪽 모두에 공간 조절을 갖는 비틀린 키앙크 결정(FFLO) 상의 형성을 확인하기 위해 고체 상태를 분석하는 것.
• 평균장 이론을 사용하여 제이만 분리와 지속 전류의 공존이 FFLO 상을 안정화시킴을 보여주는 것.
• 오더 파라미터의 주기적인 시간 진동으로 인해 이 상에서 시간 이동 대칭성이 자발적으로 위반됨을 입증하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정된 자기장이 작용하는 초전도 링이 자발적 시간 이동 대칭성 위반을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 제이만 분리와 아하로노프-보함 플럭스가 함께 작용하여 공간적으로 조절된 초전도 상을 안정화시키는 방식은 무엇인가?
• RQ3 외부 자극 없이도 지속 전류가 시간 결정 질서를 가능하게 하는 역할은 무엇인가?
• RQ4 이러한 필드가 작용하는 초전도 링에서 FFLO 상이 나타나는 조건은 무엇인가?
• RQ5 이 시스템에서 시간 결정 상은 닫힌, 비드라이브된 초전도 시스템에서 안정적이고 측정 가능한가?

주요 결과

• 제이만 분리와 아하로노프-보함 플럭스의 공존은 오더 파라미터의 진폭과 위상 양쪽 모두에 공간 조절을 갖는 비틀린 키앙크 결정(FFLO) 상을 안정화시킨다.
• FFLO 상은 시간 이동 대칭성을 자발적으로 위반하여, 외부 자극 없이도 오더 파라미터의 주기적인 시간 진동을 초래한다.
• 아하로노프-보함 플럭스에 의해 유도된 지속 전류는 제이만 분리가 존재하는 조건에서 시간 결정 상태를 안정화시키는 데 핵심적이다.
• 이 시스템은 내재된 많은 몸체 상호작용에 기인한 고유한 자가 조직화된 주기성으로 인해 시간 결정의 특징을 보이는 안정적인 주기적 시간 행동을 나타낸다.
• 주어진 고정된 필드 조건 하에서 이 상은 시간 결정 질서를 유지하기 위해 주기적 자극이 필요 없이도 안정적이다.