郭文安课题组提出通过量子相变实现超导的新机制:量子自旋霍尔绝缘体的拓扑缺陷凝聚形成超导体

量子自旋霍尔(QSH)绝缘体的发现将拓扑带到了凝聚态物理前沿。QSH可以理解为由破缺了SU(2)对称性的自旋轨道耦合导致。这一新奇物态能否通过对称性的自发破缺机制自然产生是一个非常有趣的多体物理问题。另一方面,解禁闭量子临界性(DQC)是二维系统中一个超越朗道范式的相变新机制:一个相中禁闭的拓扑缺陷携带着另一个相的‘荷’,其增殖并凝聚导致两个破缺不同对称性的相之间发生连续相变。然而,之前实现该相变机制的晶格模型中拓扑缺陷并不守恒,这虽然不改变相变的性质,但是会改变有序相的性质,使得系统在关联长度之外还有第二个发散的尺度,并带来非常复杂的有限尺寸标度行为,引发了长期的争论。

在发表在最近一期《Nature communications》上题为“Superconductivity from the Condensation of Topological Defects in a Quantum Spin-Hall Insulator”的研究论文中,物理学系郭文安教授和他指导的博士生刘玉海与德国维尔茨堡大学的F.F.Assaad教授及其博士生王振九、博士后T.Sato、M.Hohenadler以及加拿大圆周物理研究所的王翀教授合作,提出了一个能够通过对称的自发破缺产生量子自旋霍尔态并实现单尺度解禁闭量子相变的相互作用费米子模型,其哈密顿量如下

其中t表示最近邻跳跃,lambda是六角晶面内自旋轨道耦合项和的平方(见图b)。通过大规模量子蒙特卡洛模拟和有限尺寸标度分析他们证实,增大单一参量lambda,模型可以实现从狄拉克半金属到QSH态和从QSH态到S波超导态(SC)两个连续相变。前者属于O(3)Gross-Neveu普适类,后者系携带2e电荷的拓扑缺陷增殖破坏QSH态,并凝聚产生S波超导。这是一个单尺度解禁闭量子相变,其物理机制是模型的拓扑缺陷守恒,从而避免了导致第二个发散尺度的单极子(monopole)出现。这一机制原则上在自旋模型中无法实现。

论文详细信息:郭文安课题组2016级博士生刘玉海为第一作者,郭文安为通讯作者之一,北京师范大学物理学系为第一完成单位。研究得到国家自然科学基金面上项目11775021和重点项目11734002资助。

Reference: Y.H.Liu,Z.J.Wang,T.Sato,M.Hohenadler,C.Wang,W.A.Guo,and F.F.Assaad, Superconductivity from the Condensation of Topological Defects in a Quantum Spin-Hall Insulator,Nature Communications 10,2658(2019)
文章链接: https://www.nature.com/articles/s41467-019-10372-0

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