[论文解读] Time crystal phase in a superconducting ring

Ryosuke Yoshii, Satoshi Takada+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2014

Quantum and electron transport phenomena被引用 5

一句话总结

本文提出在超导环中施加静态Zeeman场与Aharonov-Bohm磁场，通过时间平移对称性的自发性自发性破缺，实现时间晶体相。Zeeman场分裂费米能级，诱导配对势的空间调制，而磁通则产生持久电流；二者共同稳定一种具有相位与振幅调制共存的扭曲扭结晶体（FFLO）相，导致时间-平移对称性破缺。

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.

研究动机与目标

• 展示一种可在超导环中观测时间-平移对称性自发破缺的平台。
• 探索静态Zeeman场与持久电流在稳定非寻常超导相中的相互作用。
• 确定Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov（FFLO）相在空间调制的序参量下出现的条件。
• 建立一种在无外部驱动的超导系统中实现时间晶体行为的机制。

提出的方法

• 建立一个具有沿环周向施加静态Zeeman磁场的准一维超导环模型。
• 施加一个通过环的静态Aharonov-Bohm磁通，以诱导持久超导电流。
• 推导包含Zeeman分裂与磁通诱导相位缠绕的有效哈密顿量。
• 分析基态，识别出具有序参量振幅与相位空间调制的扭曲扭结晶体（FFLO）相的形成。
• 利用平均场理论表明，Zeeman分裂与持久电流的共存可稳定FFLO相。
• 证明在此相中，时间-平移对称性因序参量的周期性时间演化而被自发破缺。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有静态磁场的超导环是否能表现出时间-平移对称性的自发破缺？
• RQ2 Zeeman分裂与Aharonov-Bohm磁通如何共同稳定空间调制的超导相？
• RQ3 持久电流在无外部驱动下如何促成时间晶体序的形成？
• RQ4 在这些磁场条件下，FFLO相在超导环中于何种条件下出现？
• RQ5 在封闭的、无驱动的超导系统中，时间晶体相是否具有鲁棒性且可探测？

主要发现

• Zeeman分裂与Aharonov-Bohm磁通的共存，稳定了具有序参量振幅与相位空间调制的扭曲扭结晶体（FFLO）相。
• FFLO相自发破缺时间-平移对称性，导致序参量在无外部驱动下呈现周期性时间演化。
• 由Aharonov-Bohm磁通诱导的持久电流在Zeeman分裂存在下，对稳定时间晶体态至关重要。
• 该系统表现出一种稳定、自组织的周期性时间行为，特征为时间晶体，源于内在的多体关联。
• 在给定的静态场构型下，该相具有鲁棒性，且无需周期性驱动即可维持时间晶体序。