物質との超強結合で 横電磁場は相転移するか? - kek物質との超強結合で...

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物質との超強結合で 横電磁場は相転移するか? 馬場基彰BAMBA Motoaki大阪大学 国際共創大学院学位プログラム推進機構 特任講師(常勤) 大阪大学 大学院基礎工学研究科 招へい教員(兼任) 科学技術振興機構 さきがけ研究者(兼任) 1 KEK連携コロキウム・研究会エディション 「量子多体系の素核・物性クロスオーバー」 2019114日~16高エネルギー加速器研究機構(KEK) つくばキャンパス 4号館セミナーホール

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物質との超強結合で横電磁場は相転移するか?

馬場基彰(BAMBA Motoaki)

大阪大学 国際共創大学院学位プログラム推進機構 特任講師(常勤)

大阪大学 大学院基礎工学研究科 招へい教員(兼任)

科学技術振興機構 さきがけ研究者(兼任)1

KEK連携コロキウム・研究会エディション「量子多体系の素核・物性クロスオーバー」2019年1月14日~16日高エネルギー加速器研究機構(KEK)つくばキャンパス 4号館セミナーホール

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主な共同研究者

Xinwei Li (Rice), Weilu Gao (Rice), 河野淳一郎(Rice), 小川哲生(阪大), 井元信之(阪大), 猪股邦宏(産総研), 中村泰信(東大)

研究費

JST さきがけ, 科研費(20104008, 24-632, 26287087, JP16H02214, 26220601, 15K17731), 最先端研究開発支援プログラムFIRST, 革新的研究開発推進プログラムImPACT

解説記事

馬場基彰, 日本物理学会誌 73(8), 540-541 (2018) 馬場基彰, パリティ 32(11), 35-40 (2017) 馬場基彰, 固体物理 52(9), 459-476 (2017)

共同研究者・研究費・解説記事

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概要:物質との超強結合で横電磁場は相転移するか?

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原子の基底状態

原子の励起状態電磁波(時間的・空間的に振動する横電磁場)

熱平衡下 (𝑇𝑇 < 𝑇𝑇c)

非平衡下

時間振動する電気(磁気)分極

物質との相互作用 = 電気(磁気)分極との振幅のやり取り(屈折率の変化) 超強結合 = 1光子レベルでの振幅のやり取りのレート ≳ 原子遷移の振動数

横電磁場と分極が超強結合する系では,熱平衡下で静的な電場(磁場)と静的な電気(磁気)分極が自発的に現れる可能性がある

このような相転移が起こる物質を実験グループと共に探索している

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Optical Science & Technology

Thermal radiation and photoelectric effectcontribute the development of quantum theory.

A variety of devices has been developed.

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Spontaneous emission Stimulated emissionThermal radiation

Photo-emission processes

Communications

Photovoltaics

Displays

Images by Wikipedia

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�𝐻𝐻Dicke = ℏ𝜔𝜔EM �𝑎𝑎† �𝑎𝑎 + �𝑗𝑗=1

𝑁𝑁ℏ𝜔𝜔a

2�𝜎𝜎𝑗𝑗𝑧𝑧 +

ℏ𝑔𝑔𝑁𝑁�𝑗𝑗=1

𝑁𝑁

�𝜎𝜎𝑗𝑗† �𝑎𝑎 + �𝑎𝑎† �𝜎𝜎𝑗𝑗

Light-matter dynamics (non-equilibrium)5

Atomic ground state

Atomic excited state

�𝑎𝑎 annihilates a photon�𝜎𝜎𝑗𝑗 lowers atom j

Cavity of light

ωa

Freq

uenc

y

ωEM

Splitting 2𝑔𝑔

Resonance frequencies(absorption peaks)

0

ωa

Photon

Even in thermal equilibrium, ultra-strong 𝑔𝑔 makes a dramatic phenomenon

Energy of atomic excitation

Interaction strength 𝑔𝑔 ∝ 𝑁𝑁(signle-photon-level amplitude exchange rate)

Dicke Hamiltonian

Energyof photons

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Phase transition of transverse EM field6

SRPT ( �𝑎𝑎 eq ≠ 0)

High temperature Low temperature

Spontaneous appearance of static electric displacement field 𝑫𝑫 &

electric polarization 𝑷𝑷

Thermal motion of charges& thermal radiation

Atom

K. Hepp and E. H. Lieb, Ann. Phys. 76, 360 (1973)Super-radiant phase transition (SRPT) proposed in 1973

SRPT might appear in special materials with ultra-strong interaction

�𝐻𝐻Dicke = ℏ𝜔𝜔EM �𝑎𝑎† �𝑎𝑎 + �𝑗𝑗=1

𝑁𝑁ℏ𝜔𝜔a

2�𝜎𝜎𝑗𝑗𝑧𝑧 +

ℏ𝑔𝑔𝑁𝑁�𝑗𝑗=1

𝑁𝑁

�𝜎𝜎𝑗𝑗† �𝑎𝑎 + �𝑎𝑎† �𝜎𝜎𝑗𝑗

Energy cost for appearance of 𝑫𝑫 and 𝑷𝑷 < Energy benefit by interaction

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Phase diagram (thermal equilibrium)

Ultra-strong interaction 𝑔𝑔 > 𝜔𝜔a𝜔𝜔EM is required Quite large compared with typical materials in optical science & technology

𝑔𝑔 is determined mainly by materials (not enhanced by radiation power) Since 2009, ultra-strong 𝑔𝑔 has been implemented experimentally

7

Tem

pera

ture

(arb

. uni

ts)

Interaction strength 𝑔𝑔/ 𝜔𝜔a𝜔𝜔EM

Expectation value �𝑎𝑎 eq of EM fields

ωa

Freq

uenc

y

ωEM

0

Increasing 𝑔𝑔

At 𝑔𝑔 → 𝜔𝜔a𝜔𝜔EM, 𝜔𝜔 → 0, i.e.,instability of normal ground state ( �𝑎𝑎 = 0) ⇒ SRPT

Calculated by 𝐹𝐹 = −𝑘𝑘B𝑇𝑇ln Tr e−�𝐻𝐻/𝑘𝑘B𝑇𝑇

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Materials showing ultra-strong interaction 18

Inter-subband transition in QWs (THz)G. Gunter, et al., Nature 458, 178 (2009)

Cyclotron transition of 2DEG (THz)G. Scalari, et al., Science 335, 1323 (2012)

Artificial atoms in superconducting circuits (microwave)T. Niemczyk, et al., Nature Phys. 6, 772 (2010)

g / ωa = 22%

g / ωa = 12%

g / ωa = 60%

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Molecular vibration (infra-red)J. George, et al., PRL 117, 153601 (2016)

Materials showing ultra-strong interaction 29

Dye molecules (visible)T. Schwartz, et al., PRL 106, 196405 (2011)

Magnons in YIG sphere (microwave)X. Zhang, et al., PRL 113, 156401 (2014)

g / ωa = 16%g / ωa = 7%

g / ωa = 12%

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Recent progress: Superconducting circuit10

LC circuit (micro-wave) &Superconducting flux qubitF. Yoshihara, et al., Nat. Phys. 13, 44 (2017)

g / ωa = 134%

Experimental techniques for ultra-strong interactions are highly developedHowever, SRPT is NOT yet realized since the first proposal in 1973

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History of SRPT 1973 Proposed theoretically

K. Hepp and E. H. Lieb, Ann. Phys. (N.Y.) 76, 360 (1973)

1975 A no-go theorem of charge-mediated SRPTK. Rzążewski, et al., Phys. Rev. Lett. 35, 432 (1975)

2009 Ultra-strong interactions started to be implemented

2010 A non-equilibrium analogue of SRPT was demonstratedK. Baumann, et al., Nature 464, 1301 (2010)

2016 Proposal of thermal-equilibrium analogue of SRPTin a superconducting circuitM. Bamba, K. Inomata, and Y. Nakamura, Phys. Rev. Lett. 117, 173601 (2016)

2018 A step toward another thermal-equilibrium analoguein experiment with magnetic material ErFeO3X. Li, M. Bamba, N. Yuan, Q. Zhang, Y. Zhao, M. Xiang, K. Xu, Z. Jin, W. Ren, G. Ma, S. Cao, D. Turchinovich, and J. Kono, Science 361, 794 (2018)

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No-go theorem of charge-mediated SRPT

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Hamiltonian of EM fields and charges13

𝛁𝛁 ⋅ 𝑬𝑬 𝒓𝒓, 𝑡𝑡 = 𝜌𝜌 𝒓𝒓, 𝑡𝑡 /𝜖𝜖0𝛁𝛁 ⋅ 𝑩𝑩 𝒓𝒓, 𝑡𝑡 = 0𝛁𝛁 × 𝑬𝑬 𝒓𝒓, 𝑡𝑡 = −�̇�𝑩 𝒓𝒓, 𝑡𝑡𝛁𝛁 × 𝑩𝑩 𝒓𝒓, 𝑡𝑡 = 𝜇𝜇0𝑱𝑱 𝒓𝒓, 𝑡𝑡 + �̇�𝑬 𝒓𝒓, 𝑡𝑡 /𝑐𝑐2

𝑚𝑚𝑗𝑗�̈�𝒓𝑗𝑗 𝑡𝑡 = 𝑞𝑞𝑗𝑗𝑬𝑬 𝒓𝒓𝑗𝑗 , 𝑡𝑡 + 𝑞𝑞𝑗𝑗�̇�𝒓𝑗𝑗 𝑡𝑡 × 𝑩𝑩 𝒓𝒓𝑗𝑗 , 𝑡𝑡

Charge density: 𝜌𝜌 𝒓𝒓 = ∑𝑗𝑗 𝑞𝑞𝑗𝑗𝛿𝛿 𝒓𝒓 − 𝒓𝒓𝑗𝑗Current denstiy: 𝑱𝑱 𝒓𝒓 = ∑𝑗𝑗 𝑞𝑞𝑗𝑗�̇�𝒓𝑗𝑗𝛿𝛿 𝒓𝒓 − 𝒓𝒓𝑗𝑗

Maxwell equations Newton’s equation (Lorentz force)

�𝐻𝐻len = �d𝒓𝒓�𝑫𝑫 𝒓𝒓 − �𝑷𝑷 𝒓𝒓 2

2𝜀𝜀0+�𝑩𝑩 𝒓𝒓 2

2𝜇𝜇0+ �

𝑗𝑗

�𝒑𝒑𝑗𝑗2

2𝑚𝑚𝑗𝑗+ 𝑉𝑉 �𝒓𝒓𝑗𝑗

�𝐻𝐻min = �d𝒓𝒓𝜀𝜀0�𝑬𝑬⊥ 𝒓𝒓 2

2+�𝑩𝑩 𝒓𝒓 2

2𝜇𝜇0+ �

𝑗𝑗

�𝒑𝒑𝑗𝑗−𝑞𝑞𝑗𝑗�𝑨𝑨 �𝒓𝒓𝑗𝑗2

2𝑚𝑚𝑗𝑗+ 𝑉𝑉 �𝒓𝒓𝑗𝑗

Minimal-coupling Hamiltonian (velocity form)

Hamiltonian in length form (electric dipole “gauge”)

In Coulomb gauge (𝛁𝛁 ⋅ 𝑨𝑨 = 0)

Unitary transform (in long-wavelength approximation)

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�𝐻𝐻 = �d𝒓𝒓�𝑫𝑫 𝒓𝒓 − �𝑷𝑷 𝒓𝒓 2

2𝜀𝜀0+�𝑩𝑩 𝒓𝒓 2

2𝜇𝜇0+ �

𝑗𝑗

�𝒑𝒑𝑗𝑗2

2𝑚𝑚𝑗𝑗+ 𝑉𝑉 �𝒓𝒓𝑗𝑗

�𝐻𝐻 ≈ ℏ𝜔𝜔EM �𝑎𝑎† �𝑎𝑎 + �𝑗𝑗=1

𝑁𝑁ℏ𝜔𝜔a

2�𝜎𝜎𝑗𝑗𝑧𝑧 +

4ℏ𝑔𝑔2

𝑁𝑁𝜔𝜔EM�̂�𝑆𝑥𝑥

2 +2ℏ𝑔𝑔𝑁𝑁�̂�𝑆𝑥𝑥 �𝑎𝑎† + �𝑎𝑎

�𝐻𝐻Dicke′ = ℏ𝜔𝜔EM �𝑎𝑎† �𝑎𝑎 + �𝑗𝑗=1

𝑁𝑁ℏ𝜔𝜔a

2�𝜎𝜎𝑗𝑗𝑧𝑧 +

ℏ𝑔𝑔𝑁𝑁�𝑗𝑗=1

𝑁𝑁

�𝜎𝜎𝑗𝑗† + �𝜎𝜎𝑗𝑗 �𝑎𝑎† + �𝑎𝑎

A no-go theorem of charge-mediated SRPT14

P2 term (additional energy cost)

For two-level atomsin a cavity

K. Rzążewski, K. Wódkiewicz, & W. Żakowicz, PRL 35, 432 (1975)

Neglecting P2 term

�𝑷𝑷 ⋅ �𝑫𝑫

Does NOT show SRPT

Hamiltonian from Maxwell eqs. & Lorentz force

Dicke Hamiltonian

�̂�𝑆𝑥𝑥 ≡ ∑𝑗𝑗=1𝑁𝑁 �𝜎𝜎𝑗𝑗†+�𝜎𝜎𝑗𝑗2

P2 terms was NOT considered at the first proposal in 1973

Electric energy Magnetic energy Kinetic energy Coulomb energy

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�𝐻𝐻len = �d𝒓𝒓�𝑫𝑫 𝒓𝒓 − �𝑷𝑷 𝒓𝒓 2

2𝜀𝜀0+�𝑩𝑩 𝒓𝒓 2

2𝜇𝜇0+ �

𝑗𝑗

�𝒑𝒑𝑗𝑗2

2𝑚𝑚𝑗𝑗+ 𝑉𝑉 �𝒓𝒓𝑗𝑗

Another no-go theorem (classical theory)

More rigorous quantum analyses were also performedI. Bialynicki-Birula and K. Rzążewski, PRA 19, 301 (1979);K. Gawędzki and K. Rzążnewski, PRA 23, 2134 (1981).

Counter examples are still being discussedT. Grieβer, A. Vukics, and P. Domokos, PRA 94, 033815 (2016);G. Mazza and A. Georges, arXiv:1804.08534 [cond-mat.str-el].

Charge-mediated light-matter interactions hardly give the SRPT

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�𝐻𝐻len = �d𝒓𝒓�𝑫𝑫 𝒓𝒓 2 + �𝑷𝑷 𝒓𝒓 2

2𝜀𝜀0−�𝑫𝑫 𝒓𝒓 ⋅ �𝑷𝑷 𝒓𝒓

𝜀𝜀0+�𝑩𝑩 𝒓𝒓 2

2𝜇𝜇0+ �

𝑗𝑗

�𝒑𝒑𝑗𝑗2

2𝑚𝑚𝑗𝑗+ 𝑉𝑉 �𝒓𝒓𝑗𝑗

“Energy cost < Interaction energy” cannot be obtainedJ. M. Knight, Y. Aharonov, and G. T. C. Hsieh, PRA 17, 1454 (1978).

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Motivation and Recent Progresses

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Motivation and strategy in SRPT study17

Experimental demonstration of analogues in a variety of systems Interaction mediated by spins or something except charges

Thermal equilibrium of mattersNon-equilibrium dynamics

of light and matters

Optical Science & Technology Condensed matters &Thermodynamics

Strategy

Motivation Introduction of heat & phase transitions into optical science Realization of SRPT enhances the potential of optical technology

and advances the non-equilibrium statistical physics

Images by Wikipedia

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Recent theoretical progresses on SRPT Quantum chaos, entanglement entropy, critical exponent, etc. in SRPT

C. Emary and T. Brandes, PRL 90, 044101 (2003); C. Emary and T. Brandes, PRE 67, 066203 (2003); N. Lambert, C. Emary, and T. Brandes, PRL 92, 073602 (2004); J. Larson and E. K. Irish, J. Phys. A Math. Theor. 50, 174002 (2017); etc.

Analyses of non-equilibrium SRPT (in cold atoms)e.g., P. Kirton, et al., Adv. Quantum Technol. 1800043 (2018);

H. J. Carmichael, Phys. Rev. X 5, 031028 (2015).

Proposals of charge-mediated thermal SRPT(controversial)T. Grieβer, A. Vukics, and P. Domokos, PRA 94, 033815 (2016);G. Mazza and A. Georges, arXiv:1804.08534 [cond-mat.str-el].

Reminding the importance of spin for thermal SRPTM. Bamba and T. Ogawa, PRA 90, 063825 (2014)

Originally, J. M. Knight, Y. Aharonov, and G. T. C. Hsieh, PRA 17, 1454 (1978)

Superconducting circuit showing a thermal “SRPT”M. Bamba, K. Inomata and Y. Nakamura, PRL 117, 173601 (2016)

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Recent experimental progresses for SRPT Signature (?) of charge-mediated SRPT (2DEG cyclotron resonance)

J. Keller, G. Scalari, F. Appugliese, C. Maissen, J. Haase, M. Failla, M. Myronov, D. R. Leadley, J. Lloyd-Hughes, P. Nataf, and J. Faist, arXiv:1708.07773 [cond-mat.mes-hall]

Quantitative evaluation of additional energy cost of EM fieldsX. Li, M. Bamba, Q. Zhang, S. Fallahi, G. C. Gardner, W. Gao, M. Lou, K. Yoshioka, M. J. Manfra, and J. Kono, Nature Photonics 12, 324 (2018)

Samples embedding carbon nanotubes with easily-tunable 𝒈𝒈W. Gao, X. Li, M. Bamba and J. Kono, Nature Photonics 12, 362 (2018)

A step toward “SRPT” in magnetic material ErFeO3X. Li, M. Bamba, N. Yuan, Q. Zhang, Y. Zhao, M. Xiang, K. Xu, Z. Jin, W. Ren, G. Ma, S. Cao, D. Turchinovich, and J. Kono, Science 361, 794 (2018)

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Cooperative interactionin magnetic material ErFeO3

X. Li, M. Bamba, N. Yuan, Q. Zhang, Y. Zhao, M. Xiang, K. Xu, Z. Jin, W. Ren, G. Ma, S. Cao, D. Turchinovich, and J. Kono, Science 361, 794 (2018)

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A step toward “SRPT” in magnet Spin degree of freedom may cause a SRPT, which is

hardly obtained only by charge-mediated interactions Design of artificial structures of magnetic materials

is a potential strategy

ErFeO3 shows a phase transition at T = 4.5 K, whereEr3+ spins are ordered antiferromagnetically Originating from short-range Er–Er interactions? (standard picture)

This picture works (𝑔𝑔 ∝ 𝑁𝑁) for the interaction between Er3+ ensemble and Fe3+ magnons

A step toward “SRPT” where photons are replaced by magnons

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Er3+ ground stateEr3+ excited state

Fe3+ magnon

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Absorption spectra22

0 2 4 6 8 1 0Static magnetic field [T]

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Oscillatingmagnetic field

Freq

uenc

y of

pro

be w

ave

[THz

]

Fe3+ magnons

Lowest transitionof Er3+

Highertransitionsof Er3+

Staticmagnetic field

Probe THz wave

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Evidence of cooperative interaction

Cooperative interaction mediated by magnonsinstead of photons long discussed in quantum opticsX. Li, M. Bamba, N. Yuan, Q. Zhang, Y. Zhao, M. Xiang, K. Xu, Z. Jin, W. Ren, G. Ma, S. Cao, D. Turchinovich and J. Kono, Science 361(6404), 794ー797 (2018)

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Splitting 2𝑔𝑔 ∝ (Excitable Er3+ density)1/2

Static magnetic field [T]

Freq

uenc

y[T

Hz]

2𝑔𝑔 ErxY1-xFeO3

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�𝐻𝐻ErFeO3 ≈ ℏ𝜔𝜔magnon �𝑎𝑎† �𝑎𝑎 + �𝑖𝑖=1

𝑁𝑁ℏ𝜔𝜔Er

2�𝜎𝜎𝑖𝑖𝑧𝑧 +

ℏ𝑔𝑔𝑁𝑁

�𝑎𝑎† + �𝑎𝑎 �𝑖𝑖=1

𝑁𝑁

�𝜎𝜎𝑖𝑖† + �𝜎𝜎𝑖𝑖

�𝐻𝐻ErFeO3 = �𝐻𝐻Er + �𝐻𝐻Fe + �𝐻𝐻Fe−Er, �𝐻𝐻Er = −�𝑖𝑖=1

𝑁𝑁

�𝝁𝝁𝑖𝑖 ⋅ 𝑩𝑩stat

�𝐻𝐻Fe = 𝐽𝐽Fe�n.n.

�𝑺𝑺𝑖𝑖𝐴𝐴 ⋅ �𝑺𝑺𝑖𝑖′𝐵𝐵 − 𝐷𝐷Fe�

n.n.

�̂�𝑆𝑖𝑖,𝑧𝑧𝐴𝐴 �̂�𝑆𝑖𝑖′,𝑥𝑥𝐵𝐵 − �̂�𝑆𝑖𝑖′,𝑧𝑧

𝐵𝐵 �̂�𝑆𝑖𝑖,𝑥𝑥𝐴𝐴

−∑𝑖𝑖=1𝑁𝑁 𝐴𝐴𝑥𝑥�̂�𝑆𝑖𝑖,𝑥𝑥𝐴𝐴2 + 𝐴𝐴𝑧𝑧�̂�𝑆𝑖𝑖,𝑧𝑧𝐴𝐴

2 + 𝐴𝐴𝑥𝑥𝑧𝑧�̂�𝑆𝑖𝑖,𝑥𝑥𝐴𝐴 �̂�𝑆𝑖𝑖,𝑧𝑧𝐴𝐴 − ∑𝑖𝑖=1𝑁𝑁 𝐴𝐴𝑥𝑥�̂�𝑆𝑖𝑖,𝑥𝑥𝐵𝐵2 + 𝐴𝐴𝑧𝑧�̂�𝑆𝑖𝑖,𝑧𝑧𝐵𝐵

2 − 𝐴𝐴𝑥𝑥𝑧𝑧�̂�𝑆𝑖𝑖,𝑥𝑥𝐵𝐵 �̂�𝑆𝑖𝑖,𝑧𝑧𝐵𝐵

�𝐻𝐻Er−Fe = �𝑖𝑖=1

𝑁𝑁

𝐽𝐽𝐴𝐴�𝝈𝝈𝑖𝑖 ⋅ �𝑺𝑺𝑖𝑖𝐴𝐴 + 𝐽𝐽𝐵𝐵�𝝈𝝈𝑖𝑖 ⋅ �𝑺𝑺𝑖𝑖𝐵𝐵 + 𝑫𝑫𝐴𝐴 ⋅ �𝝈𝝈𝑖𝑖 × �𝑺𝑺𝑖𝑖𝐴𝐴 + 𝑫𝑫𝐵𝐵 ⋅ �𝝈𝝈𝑖𝑖 × �𝑺𝑺𝑖𝑖𝐵𝐵

Theoretical analysis Reduction of a spin model of ErFeO3 into Dicke model (𝑔𝑔 ∝ 𝑥𝑥1/2) Fe3+ – Er3+ exchange strength 𝐽𝐽 was estimated from experimental 𝑔𝑔

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Analogy with SRPT is under investigation(2𝑔𝑔 > 𝜔𝜔FM𝜔𝜔Er)

Dicke model

Spin model of ErFeO3

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Summary The SRPT introduces heat & phase transition into optical science Its non-equilibrium analogue was demonstrated in cold atoms Thermal SRPT is not yet realized (charge-mediated SRPT is hard) Thermal SRPT analogue was predicted in superconducting circuit Thermal spin-mediated SRPT (analogue) is now being explored

Remaining problems Experimental distinguishability from magnetic phase transitions Magnetic transition dipoles are basically small, etc.

25

Static magnetic field [T]Fr

eque

ncy

[THz

]

……Φext

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Thermal-equilibrium analoguein a superconducting circuit

M. Bamba, K. Inomata, and Y. Nakamura, Phys. Rev. Lett. 117, 173601 (2016)

26

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Superconducting circuits Superconducting current (or charges) in circuits is interpreted as

“electromagnetic (EM) fields” and “atoms”

Experimental techniques are highly developedtogether with the development of quantum computers

Quantum computers of D-wave, Google, IBM, etc. consist of superconducting circuits

Advantage: We can design interaction forms of “EM fields” and “atoms”

27

T. Niemczyk, et al., Nature Phys. 6, 772 (2010)http://www.sei.co.jp/super/about/feature.html

“Atom” Josephson junctionsCurrent Insulator

SuperconductorsVoltage

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Circuit showing “SRPT”28

…… ……

……

High temperature

Low temperature

Thermal current

“𝑫𝑫” “𝑷𝑷”

Φext

Φext Φext

Clockwise or counter-clockwise persistent current

“EM fields”(LC circuit)

“Atoms” (Josephson junctions)

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Superconducting circuit showing “SRPT”29

External magnetic flux Φext = Φ0/2flips the sign (Φ0 = ℎ/2𝑒𝑒)“Photonic” variables �𝜙𝜙, �𝑞𝑞 = iℏ

“Atomic” variables �𝜓𝜓𝑗𝑗 , �𝜌𝜌𝑗𝑗′ = iℏ𝛿𝛿𝑗𝑗,𝑗𝑗′

M. Bamba, K. Inomata, and Y. Nakamura, PRL 117, 173601 (2016)

Flux 𝜙𝜙Current 𝐼𝐼 = 𝜙𝜙/𝐿𝐿R

𝜙𝜙 − 𝜓𝜓1 𝜙𝜙 − 𝜓𝜓2 𝜙𝜙 − 𝜓𝜓𝑁𝑁

𝜓𝜓2 − Φext𝜓𝜓1 − Φext 𝜓𝜓𝑁𝑁 − Φext

Charge Flux Charge Effective fluxFlux difference

�𝐻𝐻 =�𝑞𝑞2

2𝐶𝐶R+

�𝜙𝜙2

2𝐿𝐿R+ �

𝑗𝑗=1

𝑁𝑁 �𝜙𝜙 − �𝜓𝜓𝑗𝑗2

2𝐿𝐿𝑔𝑔+�𝜌𝜌𝑗𝑗2

2𝐶𝐶J+ 𝐸𝐸J cos

2𝜋𝜋 �𝜓𝜓𝑗𝑗Φ0

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Flux amplitude 𝜙𝜙eq = 𝐿𝐿𝑅𝑅 𝐼𝐼eq is calculated through 𝑍𝑍 𝑇𝑇 = Tr 𝑒𝑒−�𝐻𝐻/𝑘𝑘B𝑇𝑇

in thermodynamic limit (𝑁𝑁 → ∞)

Phase diagram of superconducting current30

Parameters

A second-order phase transition appears The circuit Hamiltonian is certainly reduced to the Dicke model The “photonic” flux 𝜙𝜙eq ≠ 0 get an amplitude spontaneously (persistent

current appears)

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Why we can get “SRPT” ?31

Competition

0 ⟩|𝐼𝐼 = ↓

Energy @ Josephson junction

⟩|𝐼𝐼 = ↑𝜓𝜓

Suppression of energy cost

“SRPT”

Energy @ LC circuit

0

Energy @ normal atom

0

Increase of energy cost

……Φext

⁄𝑃𝑃2 2𝜀𝜀0

𝐸𝐸J cos 2𝜋𝜋𝜓𝜓/Φ0

𝐼𝐼

𝑃𝑃

“EM fields”(LC circuit)

“Atoms” (Josephson junctions)

Thermal-equilibrium phase transition of current

M. Bamba, K. Inomata & Y. Nakamura, PRL (2016)