[论文解读] Topological defects as relics of spontaneous symmetry breaking in a holographic superconductor

Hua-Bi Zeng, Chuan-Yin Xia+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2019

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 4

一句话总结

本文通过规范/重力对偶研究了在(2+1)维全息超导体中通过自发U(1)对称性自发性破缺形成的涡旋。研究证明，在相变后磁通子（具有量子化磁通）出现，缺陷密度、涡旋数分布及涡旋相关性与Kibble-Zurek机制的预测一致，为强关联、无准粒子激发系统中的拓扑缺陷提供了第一性原理研究。

ABSTRACT

Formation and evolution of topological defects in course of non-equilibrium symmetry breaking phase transitions is of wide interest in many areas of physics, from cosmology through condensed matter to low temperature physics. Its study in strongly coupled systems, in absence of quasiparticles, is especially challenging. We investigate breaking of U(1) symmetry and the resulting spontaneous formation of vortices in a $(2+1)$-dimensional holographic superconductor employing gauge/gravity duality, a `first-principles' approach to study strongly coupled systems. Magnetic fluxons with quantized fluxes are seen emerging in the post-transition superconducting phase. As expected in type II superconductors, they are trapped in the cores of the order parameter vortices. The dependence of the density of these topological defects on the quench time, the dispersion of the typical winding numbers in the superconductor, and the vortex-vortex correlations are consistent with predictions of the Kibble-Zurek mechanism.

研究动机与目标

• 理解强关联系统中非平衡相变期间拓扑缺陷的形成与演化。
• 解决在无准粒子系统中研究拓扑缺陷动力学的挑战，此类系统中传统场论方法失效。
• 应用规范/重力对偶作为第一性原理框架，模拟(2+1)维全息超导体中的自发U(1)对称性破缺。
• 研究磁通量量子化的涡旋及其在相变后超导相中相关性质的涌现。
• 在强关联、非微扰的设定下，检验缺陷动力学与Kibble-Zurek机制的一致性。

提出的方法

• 利用规范/重力对偶建模一个具有自发U(1)对称性破缺的(2+1)维强关联超导体。
• 构建超导相的引力背景，其中序参量与规范场编码了超导性质。
• 模拟淬火协议，驱动系统从正常相到超导相，模拟非平衡动力学。
• 追踪相变后具有量子化磁通的磁通子形成，将其识别为超导序参量中的涡旋。
• 分析缺陷密度、涡旋数分布及涡旋-涡旋相关函数，以探测Kibble-Zurek标度行为。
• 将观测到的缺陷动力学与对称性破缺相变中Kibble-Zurek机制的理论预测进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强关联、无准粒子的超导体中，非平衡相变期间拓扑缺陷（如涡旋）如何形成？
• RQ2 在全息超导体中，缺陷密度如何依赖于淬火时间？
• RQ3 涡旋的涡旋数分布如何？其分布是否与Kibble-Zurek预测一致？
• RQ4 相变后涡旋-涡旋相关性的本质是什么？其是否表现出普适标度行为？
• RQ5 Kibble-Zurek机制能否在无准粒子的强关联系统中定量描述缺陷形成？

主要发现

• 在相变后的超导相中，具有量子化磁通的磁通子出现，证实了涡旋作为拓扑缺陷的形成。
• 涡旋密度随淬火时间的依赖关系与Kibble-Zurek机制一致，表明存在普适动力学行为。
• 超导体中涡旋数分布的弥散特性与Kibble-Zurek框架的理论预期相符。
• 涡旋-涡旋相关函数表现出特征性标度行为，支持非平衡相变中缺陷形成的普适性。
• 结果验证了Kibble-Zurek机制在通过全息对偶实现的强关联、非微扰系统中的适用性。
• 本研究首次在无准粒子系统中实现了第一性原理的全息拓扑缺陷形成。