清华姚宏教授研究组发文揭示超导量子相变的三维时空超对称性

清华新闻网11月8日电 11月2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等研究人员在《科学·进展》（Science Advances）发表题为“量子临界点的演生时空超对称性的数值揭示”（“Numerical Observation of Emergent Spacetime Supersymmetry at Quantum Criticality”）的学术论文，应用无费米符号问题的量子蒙特卡洛数值计算方法，首次在二维微观晶格模型中发现量子临界点上演生的三维时空超对称性。

近几十年来，寻找时空超对称性是理论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，主要在关联量子体系、特别是在关联量子体系的临界点中探寻演生的超对称性。如何构造一个二维或更高维的微观晶格模型来确定地实现演生的超对称性是其中的一个重要问题，这个问题的解决对于今后在实验中寻找超对称性具有重要的指导意义。

量子临界点的演生时空超对称性

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有效地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，运用无费米符号的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，他们计算得到的量子临界指数，也与2+1维时空超对称性的理论预言一致。这些结果为将来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，他们计算了超对称性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有效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。

清华大学高等研究院姚宏研究组博士生李自翔（现为加州大学伯克利分校博士后）为论文第一作者，姚宏教授与斯坦福大学博士后Abolhassan Vaezi为论文共同通讯作者。该研究工作得到了清华大学低维量子物理国家重点实验室自主科研基金、国家科技部、国家自然科学基金等的支持。

论文链接：

http://advances.sciencemag.org/content/4/11/eaau1463

供稿：物理系 编辑：华山 审核：襄楠