[论文解读] Emergence of the unconventional type-II Nambu-Goldstone modes

Jian-Song Pan, W. Vincent Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 1

一句话总结

该论文预测了在光晶格中的混合s-和p-带玻色超流体中存在一种新型的二次色散Nambu-Goldstone（NG）模，这种模式无法用传统的对称性理论解释。相反，这些非传统的II型NG模的出现与投影复数序参量空间中的拓扑相变相关，揭示了一种统一朗道对称性破缺理论与拓扑理论的新通用机制。

ABSTRACT

The Nambu-Goldstone (NG) modes in a nonrelativistic system can be classified into two types from their characteristic features: being of either an odd (type I) or an even (type II) power energy-momentum dispersion. Conventionally, the type-II NG modes may universally arise from spontaneous breaking of noncommutative symmetry pairs. Here, we predict a novel type of quadratically dispersed NG modes that emerges in mixed $s$ and $p$ band Bose superfluids in an optical lattice and, unlike the conventional type-II NG modes, cannot be solely interpreted with the celebrated symmetry-based argument. Instead, we show that the existence of such modes has a profound connection to the topological transition on projective complex order-parameter space. The detection scheme is also proposed. Our Letter reveals a new universal mechanism for emergence of type-II NG modes, which bridges intrinsically the Landau symmetry-breaking and topological theories.

研究动机与目标

• 识别并表征一种超越传统对称性解释框架的新型二次色散Nambu-Goldstone模。
• 研究投影复数序参量空间中的拓扑相变在实现这些新型NG模中的作用。
• 建立一个统一朗图对称性破缺理论与拓扑理论的通用机制，通过涌现的NG模实现。
• 提出一种可行的探测方案，用于在超冷原子系统中观测这些非传统模。

提出的方法

• 分析光晶格中具有混合s-和p波配对的双带玻色超流体中无能隙模的能量-动量色散关系。
• 将系统的序参量映射到投影复数空间，以识别拓扑不变量和相变。
• 应用有效场论技术，推导低能动力学，并根据其二次色散特性将NG模分类为II型。
• 通过群对称性分析表明，这些新NG模不能仅由非对易对称性对解释，如传统II型NG模的情况。
• 识别与序参量流形相关的拓扑不变量，该不变量可作为新NG模出现的信号。
• 提出一种基于超冷原子气体中时间飞行成像与自旋分辨动量分布测量的探测方案。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非相对论性系统中，是否可能超越传统对称性分类框架，出现一种新型的二次色散Nambu-Goldstone模？
• RQ2 这种新型NG模的拓扑起源是什么？它与标准II型NG模有何不同？
• RQ3 投影复数序参量空间如何编码这些非传统NG模的出现？
• RQ4 该机制是否可普遍适用于具有竞争序参量的其他系统？
• RQ5 在超冷原子系统中，可采用何种实验信号来探测这些拓扑保护的NG模？

主要发现

• 在光晶格中的混合s-和p-带玻色超流体中，出现了一种与传统II型NG模不同的新型二次色散Nambu-Goldstone模。
• 该模的存在无法通过非对易对称性对解释，而是源于投影复数序参量空间中的拓扑相变。
• 与序参量流形相关的拓扑不变量控制了新型NG模的出现，建立了拓扑与NG模结构之间的直接联系。
• 该机制通过表明拓扑可决定NG模的性质，统一了朗图对称性破缺理论与拓扑理论。
• 提出了一种可行的探测方案，利用自旋分辨的时间飞行成像技术，观测新NG模在动量空间中的特征色散关系。
• 研究结果揭示了一种普遍机制，用于II型NG模的涌现，该机制超越了对称性考虑，引入了拓扑保护。