[论文解读] Emergent Spacetime Supersymmetry at Superconducting Quantum Criticality of Single Dirac Cone

Zixiang Li, Abolhassan Vaezi+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用 5

一句话总结

该论文通过无符号问题的量子蒙特卡洛模拟，首次在2+1维量子微观模型中实现${\mathcal{N}}$=2时空超对称性（SUSY）的涌现——具体而言，是在具有吸引力Hubbard相互作用的单个狄拉克锥系统中实现。在超导量子临界点（QCP）处，费米子与玻色子表现出相同的异常维数1/3，这是涌现时空超对称性的明确标志。

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.

研究动机与目标

• 研究时空超对称性是否能在真实量子微观模型中于2+1维空间中涌现。
• 确定具有吸引力Hubbard相互作用的单个狄拉克费米子是否能实现超导量子临界点（QCP）。
• 检验涌现的${\mathcal{N}}$=2时空超对称性是否通过普遍标度行为在QCP处显现。
• 识别凝聚态系统中涌现时空超对称性的可实验测量信号。

提出的方法

• 构建一个保持时间反演和轴向对称性的单个狄拉克锥晶格模型，引入吸引力Hubbard相互作用。
• 采用无符号问题的量子蒙特卡洛模拟，研究零温下强关联费米子系统。
• 通过在量子临界点处关联函数的标度分析，提取费米子与玻色子激发的异常维数。
• 比较费米子与玻色子传播子的标度行为，以检测是否存在相同的异常维数，这是时空超对称性的关键标志。
• 通过调节相互作用强度与化学势，将模型调制至超导QCP。
• 关联函数的普遍标度坍缩证实了临界性，并实现了临界指数的精确测定。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实微观量子模型中，2+1维空间的时空超对称性是否能够涌现？
• RQ2 具有吸引力Hubbard相互作用的单个狄拉克费米子是否表现出超导量子临界点？
• RQ3 在QCP处，费米子与玻色子激发的异常维数是否相同，从而标志出涌现的${\mathcal{N}}$=2时空超对称性？
• RQ4 可用于在实际系统中探测涌现时空超对称性的可测量实验信号有哪些？

主要发现

• 在单个狄拉克锥模型的超导量子临界点处，费米子与玻色子激发的异常维数均为1/3，这是${\mathcal{N}}$=2时空超对称性的标志性特征。
• 通过无符号问题的量子蒙特卡洛模拟中关联函数的普遍标度坍缩，证实了时空超对称性的涌现。
• 该模型保持时间反演与轴向对称性，确保了在QCP处涌现超对称性的鲁棒性。
• 临界指数与标度行为与具有${\mathcal{N}}$=2时空超对称性的共形场理论一致。
• 本研究识别出特定的实验信号，如隧道谱中的普遍标度行为以及自旋-玻色子耦合，可用于在真实材料中检验涌现的超对称性。
• 本工作首次在量子微观模型中观测到2+1维时空超对称性的涌现，解决了凝聚态物理与高能物理领域长期悬而未决的开放问题。