[论文解读] Fermionic analogue of black hole radiation with a super high Hawking temperature

Hang Liu, Jia‐Tao Sun+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2018

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect参考文献 43被引用 7

一句话总结

本文提出了一种在周期性驱动的二维黑磷薄膜中实现费米子型黑洞辐射的类比，其中Floquet-Dirac态的空间梯度可模拟史瓦西黑洞几何结构。从II型狄拉克锥到I型狄拉克锥的电子隧穿过程，发射出温度高达约3 K的霍金辐射，远超以往类比系统，为实验观测费米子型霍金辐射提供了可能。

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.

研究动机与目标

• 为克服天体物理黑洞中霍金辐射温度极低导致的实验探测难题。
• 设计一种能实现显著提升霍金温度的费米子型霍金辐射的凝聚态系统。
• 利用周期性驱动的狄拉克材料实现可调谐、可控制的史瓦西黑洞类比。
• 展示电子在狄拉克锥相变中穿越视界类似边界时的量子隧穿行为，产生类似霍金辐射的谱分布。

提出的方法

• 利用周期性激光驱动的二维黑磷薄膜，生成Floquet-Dirac态。
• 通过调控准粒子的有效质量和速度的空间梯度，模拟史瓦西黑洞的引力势。
• 构建一个从内部视界区域的II型狄拉克锥过渡到外部区域的I型狄拉克锥的系统，从而形成电子隧穿的视界。
• 应用量子隧穿理论，计算电子穿越视界时的发射谱，类比霍金辐射。
• 利用有效场论和能带工程，将系统的动力学映射到弯曲时空几何。
• 通过数值模拟隧穿速率，确认了具有明确温度定义的类热谱分布的出现。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在固态系统中实现一种费米子型霍金辐射类比，且其霍金温度显著提升？
• RQ2 如何通过二维狄拉克材料的周期性驱动，为准粒子生成有效的黑洞视界？
• RQ3 此类系统中发射辐射的温度是多少？与以往类比系统相比有何差异？
• RQ4 从II型狄拉克锥到I型狄拉克锥的电子隧穿在多大程度上重现了霍金辐射的热谱特征？
• RQ5 系统参数是否可调谐，以实现实验可探测的霍金温度？

主要发现

• 该系统实现了约3 K的霍金温度，远超以往类比系统，高出数个数量级。
• 电子穿越视界时的发射谱表现出霍金辐射所特有的热分布特征。
• 激光驱动的Floquet-Dirac态诱导的等效时空几何，成功模拟了史瓦西黑洞的事件视界。
• 从II型狄拉克锥到I型狄拉克锥的量子隧穿，产生了一种准粒子流，其特征与预期的霍金辐射相符。
• 所提出的装置可在当前实验平台中实现，利用超快激光控制黑磷异质结构。
• 该系统具有高温度和费米子特性，使其成为未来实验室中观测霍金辐射的有前途候选方案。