姚宏研究组关于超导量子相变超对称性的研究进展
2018年11月07日
寻找大自然中的超对称性是最近几十年来物理学的一个重大研究热点。高能物理学家开展了一系列实验，包括近年来在欧洲大型强子对撞机上的实验，试图寻找超对称粒子的存在。然而，迄今为止人们尚未发现可靠的实验证据来显示超对称的存在。最近几年，凝聚态物理学家尝试新的思路寻找超对称性，即在关联量子体系特别是量子体系的临界点中探寻演生的超对称性。如何构造一个二维甚至更高维的微观晶格模型来实现演生的超对称性是其中一个重要问题，这个问题的解决对于今后在凝聚态实验中寻找超对称性具有重要的意义。近日，清华大学低维量子物理国家重点实验室成员、高等研究院教授姚宏与其所指导的博士生李自翔等研究人员，首次在二维微观晶格模型中利用无近似的量子蒙特卡洛数值计算方法发现了超导量子临界点上演生的三维时空的超对称性。
为了在二维量子体系中实现超对称性，姚宏教授及其合作者创新性地引入了描述只有单个狄拉克锥费米子的二维晶格模型。该二维晶格模型可以用来描述三维拓扑绝缘体的表面态，并用来研究电子相互作用对狄拉克表面态的影响。他们考虑了相互吸引的Hubbard相互作用，运用量子蒙特卡洛方法，研究了单个狄拉克费米子在吸引相互作用下的超导量子相变。无近似的量子蒙特卡洛数值计算结果表明，在超导量子相变的临界点上，狄拉克费米子和超导序参量玻色子具有相同的反常维度。费米子和玻色子这种特殊的标度关系，正是超对称性的重要标志。除此之外，计算得到的量子临界指数，也与2+1维时空超对称模型的理论预言一致。这些结果为观测二维体系量子临界点上的演生超对称性提供了有力的证据。
该项研究工作还讨论了二维演生超对称性的可能实验观测手段。比如，他们计算了超对称量子临界点上的局域电子态密度随着能量的标度行为，这种特殊的标度行为可能被扫描电子显微镜等实验手段所探测。由于他们计算的二维晶格模型能描述三维拓扑绝缘体的表面态，因此这项研究工作为今后在拓扑绝缘体表面态的超导量子临界点上实验观测演生超对称性提供了进一步的理论和数值依据。
该研究成果以“Numerical Observation of Emergent Spacetime Supersymmetry at Quantum Criticality”为题，2018年11月02日在线发表于《Science Advances》[Science Advances 4，eaau1463, (2018)]。该工作的合作者包括美国斯坦福大学博士后Abolhassan Vaezi，美国斯坦福国家直线加速器中心（SLAC）博士后Christian B. Mendl（现为德国德累斯顿工业大学Junior Professor）。姚宏教授与Abolhassan Vaezi博士为论文共同通讯作者，高等研究院博士生李自翔（现为加州大学伯克利分校Moore博士后）为论文第一作者。该研究工作得到了低维量子物理国家重点实验室自主科研基金、国家重点研发计划项目“二维新型量子体系的设计、调控和原型器件探索”及“拓扑超导等关联体系的量子态”、和国家自然科学基金等的支持。