part1: non$fermi*liquid*phases** · pdf file · 2012-02-23part1:...

63
Part 1: NonFermi Liquid phases for 2d i5nerant electrons MPA Fisher with Hongchen Jiang, MaA Block, Ryan Mishmash, Donna Sheng, Lesik Motrunich (in progress) Wavefunc5ons for NFL – partons Example of a NFL: “Dwave Metal” Hamiltonian and solu5on with DMRG Goal: Construct and Analyze nonFermi liquid phases of strongly interac5ng 2d i5nerant electrons Simons Symposia, Quantum Physics Beyond simple systems US Virgin Islands, Jan 31, 2012

Upload: ngothien

Post on 18-Mar-2018

219 views

Category:

Documents


5 download

TRANSCRIPT

Page 1: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Part  1:    Non-­‐Fermi  Liquid  phases    for  2d  i5nerant  electrons  

MPA  Fisher  with  Hongchen  Jiang,  MaA  Block,  Ryan  Mishmash,  Donna  Sheng,  Lesik  Motrunich  (in  progress)  

•   Wavefunc5ons  for  NFL    –  partons  •   Example  of  a  NFL:  “D-­‐wave  Metal”  •   Hamiltonian  and  solu5on  with  DMRG  

Goal:  Construct  and  Analyze  non-­‐Fermi  liquid  phases  of    strongly  interac5ng  2d  i5nerant  electrons  

Simons  Symposia,  Quantum  Physics  Beyond  simple  systems  US  Virgin  Islands,  Jan  31,  2012    

Page 2: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

2D  Free  Fermi  Gas  

Volume  of  Fermi  sea  set  by    par5cle  density  

Momentum  Distribu5on  Func5on:  

k  kF  

1

⇥ = k2F /4�

2D  Fermi  Liquid  

k  kF  

1

Z  <  1  

hc†kcki

hc†kcki

Lu_ngers  Thm:  Volume  inside  Fermi  surface  s5ll    set  by  total  density  of  fermions  

kx  

ky  

⇥ = k2F /4�

Page 3: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

2D  Non-­‐Fermi  Liquid?  

k  kF  

Various  possibili5es:  

1)  A  singular  “Fermi  surface”  that  sa5sfies    Lu_nger’s  theorem  but  no  jump  discon5nuity        2)    A  singular  Fermi  surface  that  violates  Lu_nger’s  theorem        3)  A  singular  “Fermi  surface”  with  ``arc”  

4.)  Other….  

Page 4: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Wavefunc5ons  for  2d  Fermions  

Free  Fermi  gas:      Slater  determinant   �FF (ri�, ri⇥) = det[eiki·rj")] det[eiki·rj#)]

Interac0ng  Fermi  liquid:    

   Mul5ply  by  Jastrow  factor  

�FL = e�P

i<j u(Ri�Rj) ⇥�FF {Ri} = {ri", ri#}

Page 5: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

“Parton”  approach  to  wavefunc5ons    

Mean  Field  theory:    treat  “Spinons”  and  Bosons  as  Independent:    

Decompose  electron:  spinless  charge  e  boson,  s=1/2  neutral  fermionic  spinon  

Wavefunc5ons  

“Fix-­‐up”  Mean  Field  Theory  and  project  into  physical  Hilbert  space    “Glue”  together  Fermion  and  Boson  “partons”  

(enlarged  Hilbert  space  -­‐  twice  as  many  par5cles)  

�f (ri", ri#) b(Ri)

� ⌘ f (ri�)⇥ b(Ri ! ri�)

c� = bf�

Page 6: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Fermi  and  Non-­‐Fermi  Liquids?  

Fermi  Liquid:  Bosons  into  Bose  condensate  

Non-­‐Fermi  Liquid:    Bosons  into  uncondensed  fluid  -­‐  a  “Bose  metal”  

 NFL  Metal:    Product  of  Fermi  sea  and  uncondensed  Bose-­‐Metal  

Spinons  in  a  filled  Fermi  sea     �f = det[eiki·rj")] det[eiki·rj#)]

�BECb = e�

Pi<j u(Ri�Rj)

c� = hbif� ⇠ (const)f�

�FL = �FFf � �BEC

b

�NFL = �FFf � �BoseMetal

b

Page 7: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Bose-­‐metal:  Fragment  the  charge  sector  

b = d1d2 (c↵ = f↵d1d2)(all  Fermionic  decomposi5on    of  the  electron)  

�b = det1 ⇥ det2Gutzwiller  wavefunc5on:  

Wavefunc5on  for  D-­‐wave  Bose-­‐Metal  (DBM)  

DBM:    Product  of  2  Fermi  sea  determinants,  elongated    in  the  x  or  y  direc5ons  

�DBM

= detx

⇥ dety

+  

+    

-­‐  

-­‐  

Dxy  rela5ve    2-­‐par5cle  correla5ons  

Page 8: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Ques5on  by  Ady  Stern:  When  you  break  the  charge  e  boson  into  two  fermionic  partons,  d1  and  d2,  how  do  you  divide  the  charge?    Answer  by  MPAF:    It  doesn’t  maAer.    Within  the  Gutzwiller  projec5on  approach    to  construct  varia5onal  wavefunc5ons,  the  coordinates  of  the  d1  and  d2  fermions  are  equated  –  each  site  is  either  occupied  by  both  a  d1  and  a  d2  fermion,  or  is  empty.  If  one  implements  the  projec5on  by  introducing  a  U(1)  gauge  field,  the  fermionic    partons  are  not  gauge  invariant  and  their  electric  charge  can  be  switched  back  and  forth  by  shining  the  gauge  field,  leaving  the  physical  (gauge  invariant)  boson  charge  unchanged.    

Ques5on  by  Michael  Freedman:    In  the  nodal  structure  for  your  d-­‐wave  metal  wavefunc5on,  why  are  there  two  sets  of  nodal  lines  emana5ng  from  each  par5cle?    Answer  by  MPAF:    A  fermionic  Slater  determinant  must  vanish  whenever  the  posi5ons  of  two  fermions  coincide,  so  that  a  single  nodal  line  must  pass  through  the  loca5on  of  each  par5cle  in  the  2d  projec5on.    For  the  d-­‐wave  Bose  metal  wavefunc5on,    which  is  a  product  of  2  Slater  determinants,  there  are  2  such  nodal  lines,  one  for  each  determinant.      

Page 9: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

“D-­‐Wave  Metal”  

I5nerant  NFL  phase  of  2d  electrons?  

 Parton  construc5on  

Wavefunc5on;    Product  of  determinants  

Filled  Fermi  sea  

�Metal

d

xy

= detx

[eiKi·Rj ] · dety

[eiKi·Rj ]� det[eiki·rj" ] · det[eiki·rj# ]

x y

Can  use  Varia5onal  Monte  Carlo  to  extract  equal  5me  correla5on  func5ons  from  wf    But  what  about  energe5cs???  

Page 10: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Ques5on  by  Leonid  Glazman:    How  do  you  iden5fy  the  coordinates  of  the    fermionic  spinons  with  the  coordinates  of  the  d1  and  d2  partons?    Answer  by  MPAF:    Picking  an  arbitrary  ordering  of  the  N  spinons  and  of  the  N  d1  and  d2  partons,    one  simply  requires  that  the  posi5on  of  the  ith  spinon  coincides  with  the  posi5ons  of  the  ith  d1  and  d2  fermions,  for  all  i  between  1  and  N.  

Page 11: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Hamiltonian  with  D-­‐wave  Metal  ground  state???      

t-­‐J-­‐K  “Ring”  Hamiltonian  

Electron  singlet  pair  “rota5on”  term  

3  4  

2  1  

3  4  

2  1  

Strong  coupling  limit  of  parton  gauge  theory   c� = f�dxdy

H = HtJ +HK

HtJ = �t�

�ij⇥

[c†i�cj� + h.c.] + J�

�ij⇥

⌥Si · ⌥Sj

HK = K�

�1234⇥

[S†13S24 + h.c.]

Phase  diagram?      Severe  sign  problem  

Solu0on:    Analyze  on  the  2-­‐leg  ladder    

Page 12: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Electron  t-­‐J-­‐K  model  on  2-­‐leg  ladder  

Three  parameters:    J/t,  K/t  and  density  n    (n=1/3  henceforth)  No  double  occupancy  

AAacked  model  using:  ED  DMRG  VMC  Bosoniza5on  of  Quasi-­‐1d  U(1)  gauge  theory  

Hongchen  Jiang,  MaA  Block,  Ryan  Mishmash,  Donna  Sheng,  Lesik  Motrunich  and  MPAF  (in  progress)  

H = HtJ + K�

�1234⇥

[S†13S24 + h.c.]

J  

Page 13: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Ques5on  by  Andy  Millis:    Why  is  it  easier  to  study  the  t-­‐J-­‐K  Hamiltonian  with  1/3  electron  per  site  than  some  higher  density,  say  2/3,  per  site?    Answer  by  MPAF:    At  1/3  density,  the  electrons  par5ally  fill  only  the  bonding  band  –    the  an5bonding  band  is  completely  empty.    At  higher  density  one  will  (typically)  have  par5al  filling  of  both  bonding  and  an5-­‐bonding  bands,  implying  that  there  are  more  low  lying  excita5ons  and  that  the  system  is  more  entangled.    The  numerical  technique  DMRG  works  best  for  quantum  states  that  have  low  entanglement,  which  is  the  case  at  lower  densi5es  such  as  1/3.        

Page 14: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

DMRG  Phase  Diagram  

2-­‐leg  ladder  at  n=1/3  

0 1 2 3 4

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Fully

Polarized

Phase

Separation

non-Fermi

Liquid

Luttinger

Liquid

J

K

tp=t, ρ=1/3

Three  Phases:        (a)  A  Lu_nger  Liquid  (a  “1d  Fermi  liquid”)  (b)  Fully  polarized:    Ferromagne5c  metal  (c)    A  Non-­‐Fermi  liquid:    A  D-­‐wave  Metal??  

Page 15: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Satisfies Luttinger’s Theorem: the volume enclosed by the “Fermi surface” yields the particle density. (16 particles, singlet, 8 up and 8 down)"

Lu_nger  Liquid  

A  canonical  (single  band)  Lu_nger  liquid  

Page 16: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Non-­‐Fermi-­‐Liquid  Phase  

■■■■■■

■■■■■■■■■

■■■■■■■

■■■■■■■■■

■■■■■■

■■■■■■■

■■■■■■■■■

■■■■■

■■

■■■■■■

■■■■

■■■■■■■

Electron Momentum Distribution Function: K = 2.0

momentum kx

(

2⇡

48 )

nk

(k x

,ky

)

DMRG

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

-24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

qy

= 0

qy

= ⇡

Strange  non-­‐monotonic  momentum  distribu5on  func5on,  No  Lu_ngers  volume  apparent  

Page 17: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Non-­‐Fermi  liquid  Phase  

Can  we  understand  in  terms  of  d-­‐wave  metal???  

Page 18: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

The  d-­‐wave  Metal  on  2  Legs  

Parton  construc5on:    Product  of  Slater  determinants  for  dx  ,  dy  and  f  

c� = dxdyf�

Page 19: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Electron  momentum  distribu5on  func5on  

b = dx

dy

Mean  Field:  convolu5on  of  partons  

c� = dxdyf�

Gauge  theory  -­‐  certain  wavevectors  enhanced  

Illustrate  with  Boson  ring  model  (MFT)    

Sharp  peaks  in  the  exact  boson  momentum  distribu5on  func5on!  (from  DMRG)  

nMFTc (k) = nd

x

(k)⌦ ndy

(k)⌦ nf (k)

nMFTb (k) = nd

x

(k)⌦ ndy

(k)

nb(k)

Page 20: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Ques5on  by  Bert  Halperin:    How  can  one  understand  at  which  wavevectors    the  electron  momentum  distribu5on  func5on  will  have  dominant  singulari5es?    Answer  by  MPAF:    The  singulari5es  in  the  electron  momentum  distribu5on  func5on  occur  at  sums  and  differences  of  the  Fermi  wavevectors  of  the  three  cons5tuent  partons.    The  dominant  singulari5es  are  determined  by  Amperes  law  –  when  the  gauge  currents  of  the  three  partons  are  parallel,  they  are  aAracted  to  one  another  so  that  they  can  propagate  together  effec5vely  as  an  almost  free  electron  with  a  concomitant  sharp  singularity  in  the  electron  momentum  distribu5on  func5on.  

Page 21: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Momentum  distribu5on  func5on  in  the  d-­‐wave  metal?    

⇡�⇡ ⇡

kx

nb(k) nb(k)

nc(k) ⇡ nb(k)⌦ nf (k)?  

nf (k) = �(KfF � |k|) (Free  spinon  sea)  

Page 22: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Ques5on  by  Bert  Halperin:    How  are  the  Fermi  wavevectors  of  the  partons  that  enter  into  the  Gutzwiller  wavefunc5on  determined?    Answer  by  MPAF:    They  are  taken  as  varia5onal  parameters,  and  chosen  to    minimize  the  energy  of  the  Hamiltonian.  

Page 23: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Convolu5on:      c  =  b  f  

0  �⇡ ⇡k

x

nc(k) ⇡ ⌦0  �⇡ ⇡

1  

kfF

nf (k)

0  

nc

(kx

, ky

= 0)

kx

0   kx

nc

(kx

, ky

= �)

nb(k)

Page 24: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Non-­‐Fermi  Liquid  –  consistent  with    d-­‐wave  Metal!  

■■■■■■

■■■■■■■■■

■■■■■■■

■■■■■■■■■

■■■■■■

■■■■■■■

■■■■■■■■■

■■■■■

■■

■■■■■■

■■■■

■■■■■■■

Electron Momentum Distribution Function: K = 2.0

momentum kx

(

2⇡

48 )

nk

(k x

,ky

)

DMRG

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

-24 -22 -20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

qy

= 0

qy

= ⇡

Page 25: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Ques5on  by  ??:  Are  the  singulari5es  seen  in  the  electron  momentum  distribu5on  func5on  in  the  figure  on  slide  24  jump  discon5nui5es?    Answer  by  MPAF:    Almost  certainly  not.    We  expect  that  the  form  of  these  singulari5es  is  determined  by  Lu_nger  liquid  parameters  which  encode  the  interac5ons  between  the  partons  within  a  bosonized  descrip5on  of  the  quasi-­‐1d  gauge  theory.        

Page 26: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Varia5onal  Monte  Carlo  (VMC)  

�Metal

d

xy

= detx

[eiKi·Rj ] · dety

[eiKi·Rj ]� det[eiki·rj" ] · det[eiki·rj# ]

D-­‐wave  Metal:  Product  of  Slater  determinants    (on  2-­‐leg  ladder)  

Varia5onal  Parameters:    Distribu5on  of  dx  partons    between    bonding/an5-­‐bonding  bands  (f-­‐spinons  and  dy  partons  only  in  bonding  band)      

Page 27: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Momentum  Distribu5on    func5on  from  VMC  

Page 28: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

VMC  vs.  DMRG  

Page 29: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Conclusions  

•   Constructed    generalized  t-­‐J-­‐K  Hamiltonian,  has  NFL  phase  on  2-­‐leg  ladder  • Varia5onal  Monte  Carlo  shows  this  phase  is  the  “d-­‐wave  Metal”,  which  one  can  understand  with  fermionic  partons  

Future  

•   Mul5-­‐leg  ladders,  other  densi5es,  and  towards  2d  •   VMC  energe5cs  on  2d  t-­‐J-­‐K  Hamiltonian  (FL,  D-­‐wave  BCS,  D-­‐wave  Metal,…)  •   Other  wfs/Hamiltonians  for  2d  NFL  phases??  

Page 30: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Andy  Millis  commented  that  for  a  free  fermion  determinant  it  is  believed  that  there  are  “pockets”  in  configura5on  space  (where  the  wavefunc5on  is  posi5ve,  say)  that  cannot  be  reached  from  other  regions  of  configura5on  space  (with  posi5ve  wavefuncton)  without  crossing    nodal  surfaces.      But  for  a  more  generic  fermion  wavefunc5on  (with  interac5ons,  say),  any  configura5on  with  a  posi5ve  wavefunc5on,  say,  can  be  accessed  from  any  other  configura5on  with  a  posi5ve  wavefunc5on,  without  passing  thru  a  nodal  surface.    Bert  Halperin  suggested  that  this  laAer  situa5on  was  perhaps  not  surprising,  since  the    configuta5on  space  in  ques5on  is  of  such  high  dimension  (eg  2N  dimensional  for  N  fermions  in  2d).  

Page 31: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Part  2:    Majorana  Fermions  in  superconduc5ng  nanowires:  Interac5on  and  fluctua5on  effects  

31  

   

MPA  Fisher,  with  Jason  Alicea,  Roman  Lutchyn,  Lukasz  Fidkowski,  Miles  Stoudenmire,  Oleg  Starykh,  Gil  Refael,  Felix  von  Oppen,    Yuval  Oreg,  Chetan  Nayak                    

Explore  Majorana  zero  modes  in  1d  nanowires:    •   Non-­‐Abelian  braiding  sta5s5cs  in  1d?  •   Effects  of  interac5ons  on  1d  topo  sc  phase?    •   Majorana  Q-­‐bits  for  sc  with  quasi-­‐LRO?  •   1d  SC-­‐LuJnger  liquid  juncLons  

 

Simons  Symposia,  Quantum  Physics  Beyond  simple  systems  US  Virgin  Islands,  Jan  31,  2012    

Page 32: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Desperately  Seeking  Majorana  Fermions  

32  

Why  Majorana’s?  

Because  they  are  cool,  useful    and  might  actually  exist!  

Page 33: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Majorana  Vor5ces  in  2d  p+ip  superconductors  

B-­‐deGennes  Hamiltonian:  

Vortex  binds    Majorana  zero  mode  Branch  cut  

33  

Two  vor5ces  makes  one  q-­‐bit  

Define  complex  fermion:  

N  vor5ces,  N/2  Q-­‐bits,  degeneracy  

1  

Vortex  Two  vor5ces  have  2  an5commu5ng  Majorana  operators  

Page 34: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Non-­‐Abelian  Braiding  Sta5s5cs  

34  

Each  Majorana  “sees”  other  vor5ces  as  carrying  pi  flux,  introduce  branch  cuts  

Branch  cuts  

Under  exchange,  one  Majorana    crosses  the  branch  cut  of  the  other  

Unitary  operator  implements  exchange:  

Non-­‐Abelian  opera5on  

Page 35: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Majorana’s  in  one-­‐dimension?  

35  

Kitaev  model:    1d  5ght  binding  model  for  spinless  Fermions  

Introduce  Majorana  operators  

Soluble  point:  

Remarkably,  absent  from  H  are:  

Page 36: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Majorana  zero  energy  end  modes  

36  

Non-­‐local  zero  energy  Q-­‐bit:  

Topological  sc  

Non-­‐topological  sc  

Non-­‐topological  sc:  

Fully  gapped,  no  Majorana  end  modes  

Page 37: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Moving/crea5ng  1d  Majorana’s  

37  

Vary  parameters:  create      topo  to  non-­‐topo  sc  boundary  –  Majorana’s  “live”  at  bondaries    

Majorana  can  be  created,  moved  and    then  annihilated  (using  “piano  key  gates”)  

But  can  they  be  braided?  

Lutchyn,  Sau,  Das  Sarma  (2010)  Oreg,  Refael,  von  Oppen  (2010)    

Page 38: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Braiding  1d  Majorana  Fermions  

38  

Alicea,  Oreg,  Refael,  von  Oppen,  MPAF  (2011)  Use  1d  wire  networks  

T-­‐junc5on:  

But  what  is  their  braiding  sta5s5cs?  

Same  as  vor0ces  in  2d  SC’s!!  

Choose  H  real.  Exchange  2    Majorana’s  avoiding  Pi-­‐junc5ons  (arrows,  deno5ng  sign  of  Delta,  must  be  one-­‐in/one-­‐out).      Since  real,  no  Berry’s  phase.  Must  bring  H  back  to  original  form,  mul5plying  Fermion  crea5on  operators  by  i;  

Page 39: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Bert  Halperin  men5oned  his  recent  work  exploring  three-­‐dimensional  networks  of  p-­‐wave  superconduc5ng  wires.    Just  as  for  the  T-­‐junc5on  and  other  planar  networks  of  wires  where  the  exchange  sta5s5cs  of  Majorana’s  are  non-­‐Abelian,    Majorana’s  confined  to  3d  wire  networks  sa5sfy  non-­‐Abelian  braiding  sta5s5cs,  modified  somewhat  due  to  the  3d  geometry.  

Page 40: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

1d  Experimental  Systems?  

 40  

Spin-­‐orbit  coupled  semiconduc5ng  nanowires  on    s-­‐wave  superconductor  Lutchyn,  Sau,  das  Sarma  (2010)  Oreg,  Refael,  von  Oppen  (2010)        Edges  of  2d  topological  insulators  with  sc  and  FM    deposited  on  top      L.  Fu  and  C.  Kane  (2009)      3D  topological  insulator  nanoribbons,  A.  Cook,    M.  Franz  (2011)        Cold  atomic  gases,    L.  Jiang,  J.  Alicea  et.  al.  PRL  (2011)    

Page 41: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Semiconductor  Nanowire  

41  

Nanowire,  Rashba  s.o.  coupling,    B  field,  SC  proximity  effect  

Delta  =  0;    B-­‐field  opens  gap  in  spin-­‐orbit  shined  bands  making  a  “helical  wire”,  with  nonzero  Delta  maps  to  Kitaev  model    

Lutchyn,  Sau,  Das  Sarma,  Oreg,  Refael,  von  Oppen    

Phase  diagram:  

0  

Vz  

Topo  

Non-­‐topo  

Topological  SC:  

Non-­‐topo  SC  

Page 42: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Many  Challenges  for  1d  nanowires  

42  

Disorder  effects    Interac5on  effects    -­‐  1d  so  have  Lu_nger  liquid    Ga5ng  wire  on  top  of  sc?  

(1)  Interac5on  Effects  

(2)  Nanowire  in  contact  with  1d  superconductor  (easier  to  gate)    3)  SC-­‐Lu_nger  liquid  junc5ons  

To  look  at:  

Page 43: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Interac5on  Effects  

43  

Inside  topo  sc,  fully  gapped,  no  qualita5ve  effects  of  interac5ons    But,  quan5ta5ve  and  qualita5ve  changes  in  stability  of  topo  sc  phase  (ie.  phase  boundary,  gaps  etc)  

Analyze  with  DMRG,  Hartree-­‐Fock  and  Bosoniza5on  

La_ce  H  with  Hubbard  U:  

M.  Stoudenmire,  J.  Alicea,  O.  Starykh  and  MPAF  (2011)  

Page 44: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Detec5ng  1d  topo  SC  with  DMRG  

44  

(1)  Energy  difference  between  ground  state  in  even/odd  Fermion  parity  sectors  (open  b.c.)  

(2)  Degeneracy  in  the  “energies”  of  entanglement  “Hamiltonian”   Li  and  Haldane  (2008)  

Page 45: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

DMRG  phase  diagram  

45  

Hubbard  U  shins  \mu    Minimum  Vz  to  stabilize  topo  sc  phase  decreases  with  increasing  U    (good,  since  disturbs  the  bulk  sc  less)    At  larger  Vz  topo  phase  occurs  over    larger  window  of  \mu    (good,  more  robust  against  disorder  fluctua5ons)  

Physics:    Interac5ons  enhance  effec5ve  Zeeman  spli_ng,  and  suppress  the  proximity  sc  gap  

Page 46: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Quantum  Fluctua5on  Effects  

46  

Ques0on:    Can  Majorana  zero  modes  persist  if  bulk  SC  replaced  by  1d  SC  with  quasi-­‐LRO?  

Fidkowski,  Lutchyn,  Nayak,  MPAF  (2011)  Sau,  Halperin,  Flensberg,  Das  Sarma  (2011)  

Mo5va5on:    Hard  to  gate  nanowire  on  bulk  SC,  Interes5ng  theore5cally    First:  Recover  Majorana  zero  modes  via  Bosoniza0on  when  wire  is  proximate  to  bulk  SC  

Two  states  

Page 47: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Leo  Kouvenhoven  asked:  In  order  to  study  the  stability  of  Majorana  fermions  in  semiconduc5ng  wires  in  proximity  to  1d  (rather  than  3d)  superconductors,  if  it  sufficient  to  consider  the  effects  of  phase  fluctua5ons  alone?    MPAF  answers:    No,  it  is  essen5al  to  incorporate  quantum  phase  slip  processes  which  lead  to  an  energy  spli_ng  of  two  Majorana  zero  modes    which  varies  as  an  inverse  power  law  of  their  spa5al  separa5on.    Thus,  the    Majorana  zero  modes  are  not  exponen5ally  protected  in  this  1d  case.  

Page 48: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Iden5fy  Majorana  operators  w/  Bosoniza5on  

48  

Two  states  

Fermion  parity  

Phase  operator  

Pseudo  spin  1/2  operators:  

An5-­‐commute:  

Zero  energy  state  

Majorana  operators:  

Zero  energy  

Page 49: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

 Ady  Stern  asked:    Are  the  two  states,  phi=0  and  phi=pi,  eigenstates  of  fermion  party  in  the  wire?    MPAF  answer:    No.    But  the  linear  superposi5ons,  phi=0  +/-­‐  phi=\pi  are  fermion  parity  eigenstates.  

Page 50: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Tunnel  spli_ng  of  Majorana’s  via  Bosoniza5on  

50  

Bulk  s-­‐wave  sc  

vortex  

Tunnel  vortex  “between”  nanowire  and  bulk  SC  

Vortex  tunneling  shins  phase  of  electron  by  pi  

Q-­‐bit  spli_ng:  vortex  tunneling  rate  

Vortex  tunneling  is  equivalent  to  Majorana  tunneling  between  ends  

Page 51: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Nanowire  Proximate  to  1d  SC  with  Quasi-­‐LRO  

51  

51  

Nanowire  (spinless  Lu_nger  liquid)      

AArac5ve  interac5ons  in  1d  SC:      spin  gap  

1d  SC:  spinful  electrons  

Interwire  Cooper  pair  tunneling  

Page 52: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Degeneracy?  

52  

Two  states  (separated  by  a  large  barrier)??  

No;    Can  let,  with  no  cost  in  ac5on  

Global  U(1)  charge  symmetry  (in  both  wires)  is  unbroken  (no  ODLRO).  Electron  number  is  certain  so  total  phase  fluctuates.  Can  compensate  phase  shin  in  nanowire  by  shining  phase  in  1d  SC  

No  ground  state  degeneracy    

Page 53: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Two  wires  proximate  to  1d  sc?  

53  

L  

Is  the  Q-­‐bit  exponen5ally  protected??    

Cooper  pair  tunneling  

Pseudo  spin  1/2  Phase  operator  

Fermion  parity  (wire  1,  say)  

Q-­‐bit,  zero  energy  

Page 54: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Q-­‐bit  spli_ng:  Electron  tunneling  

54  

L  

Electron  tunnels  between  nanowires,  “under”  the  spin  gap  in  1d  SC  

Splits  the  2-­‐fold  degeneracy:  

Exponen0al  protec0on!  

Page 55: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Q-­‐bit  spli_ng:  Vortex  tunneling  

55  

L  

BackscaAer  electron  in  1d  SC:  quantum  tunneling  of  vortex  

Only  power  law  protected!  

Vortex  shins  electron  phase    in  wire  2  by  \pi:  

Energy  spli_ng  

Page 56: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Various  spli_ngs  for  2-­‐wire  Q-­‐bit  

56  

L  

A   B  

C  

A:    Electron  tunneling  between  2  nanowires  

B:  Phase  slip  between  nanowire  and  1d  SC    

C:  Phase  slip  in  1d  SC  

Page 57: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Leo  Kouvenhoven  asked:    Is  an  electron  backscaAering  process  in  a  1d    superconduc5ng  wire  the  same  as  a  quantum  phase  slip?    MPAF  answer:    Yes.    Precisely  the  same.    Indeed,  an  impurity  that  backscaAers  an  electron  absorbs  a  momentum  2kF  which  degrades  the  current.  And  this  has  the  the  same  effect  as  a  quantum  phase  slip  process    Leo  Kouvenhoven  asked:    What  is  the  meaning/value  of  Krho?    MPAF  answers:    Essen5ally,  Krho  equals  the  number  of  channels  in  the  (quasi-­‐)1d  superconduc5ng  wire.  

Page 58: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Put  on  the  Mustard?  

58  

Charlie  Marcus  suggests  “squir5ng”  SC  onto  surface  of  nanowire  

Virtue:    More  easily  gate  electron  density  in  nanowire  

Drawback:  Lose  exponen5al  protec5on  of  Q-­‐bits  due  to  quasi-­‐ODLRO  

Large  power  possible  since  Krho  propor5onal    to  number  of  channels  in  1d  sc  (the  mustard)  

Page 59: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

SC-­‐Normal  junc5on  in  Nanowire  

59  

Bulk  s-­‐wave  SC   Helical  nanowire  

SC-­‐Normal  junc5on  

Non-­‐interacLng  electrons  in  Helical  Wire:      only  2  possibili5es  (at  kT=eV=0)  

Perfect  normal  reflec5on:   Perfect  Andreev  reflec5on:  

Ordinary  1d  SC   Topological  1d  SC  Helical  metal   Helical  metal  

Presence  of  Majorana  Fermion  reflected  in  zero  bias  conductance  of  juncLon  

Detect  Majorana’s?  

Page 60: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

Charlie  Marcus  asked:    How  important  are  Lu_nger  liquid  effects?    MPAF  answer:    Well,  there  are  four  cases  to  consider,  a  normal  wire  which  is  either  helical  or  not,  and  a  superconductor  which  is  either  topological  or  not.    Weak  repulsive  interac5ons  play  a  qualita5vely  important  role  for  a  junc5on  between  a  non-­‐helical  wire  and  a  non-­‐topological  superconductor,  driving  the  conductance  to  zero.    Strong  interac5ons  can  make  qualita5ve  differences  in  all  four  cases.    Sankar  Das  Sarma  asked:    What  role  does  the  finite  length  of  the  wire  play?    MPAF  answer:    For  voltages  and  temperatures  above  a  length  dependent  crossover  not  much.    But  at  lower  voltages  and  temperatures  the  nature  of  the  Fermi  liquid  leads  will  cut  off  the  Lu_nger  liquid  effects.    Charlie  Marcus  asked:    Does  the  presence  of  a  zero  bias  anomaly  cons5tute    an  observa5on  of  a  Majorana  fermion?    MPAF  answer:    Indirectly.    If  a  (repulsively  interac5ng)  single  channel  wire    contacts  a  topological    superconductor  with  a  Majorana  zero  mode,  the  wire  “eats”  the  Majorana  which  necessarily  leads  to  a  zero  bias  conductance  peak  of  G=2e2/h.    For  a  non-­‐topological  superconductor  with  no  Majorana,  the    conductance  vanishes  at  zero  bias.  

Page 61: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

SC-­‐Lu_nger  Liquid  junc5on  

61  

Turn  on  interac5ons  in  Helical    nanowire:  Lu_nger  parameter  g  

Ordinary  1d  SC   Topological  1d  SC  Helical  LL   Helical  LL  

g=1  non-­‐interac5ng  g<1  Repulsive  interac5ons  g>1  AArac5ve  interac5ons  

For  1d  topo  sc,  perfect  Andreev    survives  for  g>1/2  

Even  for  1d  ordinary  sc,  Andreev  stable  for  g>2    

Ordinary  1d  SC  Helical  LL  

“Emergence”  of  Majorana    zero  mode  at  juncLon  

Fidkowski,  Lindner,  Alicea,  Lutchyn,  Fendley,  MPAF  (in  prepara5on)  

Page 62: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

I-­‐V  Curves  for  1d  SC-­‐LL  Junc5ons  

62  

dI/dV  

V  

2e2/h  

0  

Ordinary  1d  SC  Helical  LL  

Topological  1d  SC  Helical  LL  

1d  Topological  SC-­‐LL  junc5on  

1d  Ordinary  SC-­‐LL  junc5on  

“Detects”  presence/absence  of  Majorana  zero  mode  

Zero  bias  tunneling  peak  

Page 63: Part1: Non$Fermi*Liquid*phases**  · PDF file · 2012-02-23Part1: Non$Fermi*Liquid*phases** ... b = d 1 d 2 (c ... [S† 13S 24 + h.c.] J

63  

Conclusions:    •   1d  wire  networks,  Majorana’s  sa5sfy  non-­‐Abelian    sta5s5cs  

•   On  3d  SC,  interac5ons  in  nanowire  suppress  gap,  but  reduce  threshold  B  field  and  widen  chem.  poten5al  window  for  aAaining  topo  sc  phase  

•   2  nanowires  coupled  to  1d  SC  (with  quasi-­‐ODLRO),  support  degenerate  Q-­‐bit,  with  power  law  spli_ng  

•   1d  SC-­‐Lu_nger    liquid  junc5ons  –  “detects”  presence  of  Majorana  fermions  

Theory:  •   Braiding  Majorana’s  with  quasi-­‐ODLRO?  •   Other  non-­‐Abelian  par5cles  possible  in  1d  wire  networks?  •   Other  topological  phases  exist/useful?    Expt:  •   Observe  Majorana’s  in  nanowires:  zero  bias  tunneling  peak,  4pi  Josephson  effect  •   Move/braid  Majorana’s  •   Build  topological  quantum  computer!  

Open  issues