Jump to content

Топологический порядок, защищенный симметрией

Топологический порядок с защищенной симметрией (SPT) [1] [2] — это своего рода порядок в нулевой температуре квантово-механических состояниях вещества при , обладающих симметрией и конечной энергетической щелью.

Для получения результатов наиболее инвариантным способом методы ренормгруппы (приводящие к классам эквивалентности, соответствующим определенным фиксированным точкам). используются [1] Ордер SPT имеет следующие определяющие свойства:

(а) отдельные состояния СПД с заданной симметрией не могут плавно деформироваться друг в друга без фазового перехода, если деформация сохраняет симметрию .
(б) однако все они могут быть плавно деформированы в одно и то же тривиальное состояние продукта без фазового перехода, если симметрия нарушена во время деформации .

Приведенное выше определение работает как для бозонных, так и для фермионных систем, что приводит к понятиям бозонного порядка СПД и фермионного порядка СПД.

Используя понятие квантовой запутанности , мы можем сказать, что состояния SPT — это короткодействующие запутанные состояния с симметрией (напротив: для дальнодействующей запутанности см. топологический порядок , который не связан со знаменитым парадоксом ЭПР ). Поскольку запутанные состояния ближнего действия имеют только тривиальные топологические порядки, мы также можем называть порядок SPT «тривиальным» порядком, защищенным симметрией.

Характеристические свойства [ править ]

  1. Граничная эффективная теория нетривиального СПД-состояния всегда имеет чистую калибровочную аномалию или смешанную аномалию калибровочной гравитации для группы симметрии. [3] В результате граница состояния СПД либо бесщелевая, либо вырожденная, независимо от того, как мы разрезали образец для формирования границы. Для нетривиального состояния СПД невозможна невырожденная граница с щелями. Если граница представляет собой вырожденное состояние с разрывом, вырождение может быть вызвано спонтанным нарушением симметрии и/или (внутренним) топологическим порядком.
  2. Дефекты монодромии в нетривиальных 2+1D состояниях SPT несут нетривиальную статистику. [4] и дробные квантовые числа [5] группы симметрии. Дефекты монодромии создаются путем скручивания граничного условия вдоль разреза путем преобразования симметрии. Концы такого разреза являются дефектами монодромии. Например, 2+1D бозонные состояния Z n SPT классифицируются целым Z n числом m . Можно показать, что n идентичных элементарных дефектов монодромии в состоянии Zn SPT , помеченном m, будут нести общее Zn квантовое число 2m, которое не кратно n .
  3. 2+1D бозонные состояния U(1) SPT имеют холловскую проводимость, которая квантуется как четное целое число. [6] [7] 2+1D бозонные состояния SO(3) SPT имеют квантованную спиновую холловскую проводимость. [8]

Связь между порядком SPT и (внутренним порядком ) топологическим

Состояния SPT являются запутанными на ближнем расстоянии, тогда как топологически упорядоченные состояния запутаны на дальних расстояниях.Как внутренний топологический порядок , так и порядок СПП иногда могут иметь защищенные бесщелевые граничные возбуждения . Разница невелика: бесщелевые граничные возбуждения во внутреннем топологическом порядке могут быть устойчивы к любым локальным возмущениям, тогда как бесщелевые граничные возбуждения в SPT-порядке устойчивы только к локальным возмущениям, которые не нарушают симметрию . Таким образом, бесщелевые граничные возбуждения во внутреннем топологическом порядке топологически защищены, тогда как бесщелевые граничные возбуждения в SPT-порядке защищены по симметрии . [9]

Мы также знаем, что внутренний топологический порядок имеет возникающий дробный заряд , возникающую дробную статистику и возникающую калибровочную теорию . Напротив, порядок SPT не имеет ни возникающего дробного заряда / дробной статистики для возбуждений с конечной энергией, ни возникающей калибровочной теории (из-за его короткодействующей запутанности). Обратите внимание, что обсуждавшиеся выше дефекты монодромии не являются возбуждениями с конечной энергией в спектре гамильтониана, а являются дефектами, созданными в результате модификации гамильтониана.

Примеры [ править ]

Первым примером SPT-порядка является фаза Холдейна нечетно-целой спиновой цепочки. [10] [11] [12] [13] [14] Это SPT-фаза, защищенная SO (3) . симметрией вращения спина [1] Обратите внимание, что фазы Холдейна цепочки с четными спинами не имеют SPT-порядка.Более известный пример SPT-порядка — топологический изолятор невзаимодействующих фермионов, SPT-фаза, защищенная U(1) и симметрией обращения времени .

С другой стороны, дробные квантовые состояния Холла не являются состояниями SPT. Это состояния с (внутренним) топологическим порядком и дальнодействующими запутанностями.

когомологий для фаз групповых Теория SPT

Используя понятие квантовой запутанности , можно получить следующую общую картину существования щелей.фазы при нулевой температуре. Все фазы с нулевой температурой с зазором можно разделить на два класса: запутанные фазы дальнего действия ( т. е. фазы с собственным топологическим порядком ) и запутанные фазы ближнего действия ( т. е. фазы без внутреннего топологического порядка ). Все короткодействующие запутанные фазы можно разделить на три класса: фазы с нарушением симметрии , фазы СПД и их смесь (порядок нарушения симметрии и порядок СПД могут появляться вместе).

Хорошо известно, что порядки , нарушающие симметрию, описываются теорией групп . Для бозонных фаз СПД с чисто калибровочной аномальной границей было показано, что они классифицируются теорией групповых когомологий : [15] [16] те (d+1)D состояния SPT с симметрией G помечены элементами класса групповых когомологий .Для других (d+1)D состояний SPT [17] [18] [19] [20] со смешанной аномальной границей калибровочной гравитации их можно описать формулой , [21] где — абелева группа, образованная (d+1)D топологически упорядоченными фазами, не имеющими нетривиальных топологических возбуждений (называемыми iTO-фазами).

На основе приведенных выше результатов предсказано множество новых квантовых состояний материи, в том числе бозонные топологические изоляторы (состояния SPT, защищенные U (1) и симметрией обращения времени) и бозонные топологические сверхпроводники (состояния SPT, защищенные симметрией обращения времени), а также многие другие новые государства СПТ, защищенные другими симметриями.

Список бозонных состояний СПД из групповых когомологий ( = группа симметрии обращения времени)

группа симметрии 1+1Д 2+1Д 3+1Д 4+1Д комментарий
Фазы iTO без симметрии:
бозонный топологический изолятор
бозонный топологический сверхпроводник
2+1D: квантовый эффект Холла
1+1D: цепочка со спином нечетных чисел; 2+1D: спин-эффект Холла

Фазы перед «+» происходят от . Фазы после «+» берутся из .Точно так же, как теория групп может дать нам 230 кристаллических структур в 3+1D, теория групповых когомологий может дать нам различные фазы SPT в любых измерениях с любыми группами симметрии на месте.

С другой стороны, фермионные порядки СПД описываются теорией групповых суперкогомологий . [22] Таким образом, теория групповых (супер-)когомологий позволяет нам построить множествоСПП заказывает даже для взаимодействующих систем, в состав которых входит взаимодействующий топологический изолятор/сверхпроводник.

Полная классификация одномерных квантовых фаз с пробелами ( с ) взаимодействиями

Используя понятия квантовой запутанности и порядка СПД, можно получитьполная классификация всех одномерных квантовых фаз с пробелами.

Во-первых, показано, что не существует (внутреннего) топологического порядка в 1D ( т.е. все 1D состояния с пробелами).запутались на близком расстоянии). [23] Таким образом, если гамильтонианы не обладают симметрией, все их одномерные квантовые состояния с щелями принадлежат одной фазе — фазе тривиальных состояний-продуктов.С другой стороны, если гамильтонианы действительно обладают симметрией, их одномерные квантовые состояния с щелями Это либо фазы, нарушающие симметрию , либо СПД-фазы, либо их смесь.

Такое понимание позволяет классифицировать все одномерные квантовые фазы с щелями: [15] [24] [25] [26] [27] Все 1D-фазы с зазором классифицируются последующие три математических объекта: , где – группа симметрии гамильтониана, группа симметрии основных состояний и второй групповых когомологий класс . (Обратите внимание, что классифицирует проективные представления .) Если нет нарушения симметрии ( т.е. ), 1D щелевые фазы классифицируются по проективным представлениям группы симметрии .

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Гу, Чжэн-Чэн; Вэнь, Сяо-Ган (26 октября 2009 г.). «Подход перенормировки с тензорной фильтрацией запутывания и топологический порядок, защищенный симметрией». Физический обзор B . 80 (15): 155131. arXiv : 0903.1069 . Бибкод : 2009PhRvB..80o5131G . дои : 10.1103/physrevb.80.155131 . ISSN   1098-0121 . S2CID   15114579 .
  2. ^ Поллманн, Франк; Берг, Эрез; Тернер, Ари М.; Осикава, Масаки (22 февраля 2012 г.). «Защита симметрии топологических фаз в одномерных квантовых спиновых системах». Физический обзор B . 85 (7): 075125. arXiv : 0909.4059 . Бибкод : 2012PhRvB..85g5125P . дои : 10.1103/physrevb.85.075125 . ISSN   1098-0121 . S2CID   53135907 .
  3. ^ Вэнь, Сяо-Ган (9 августа 2013 г.). «Классификация калибровочных аномалий с помощью тривиальных порядков, защищенных симметрией, и классификация гравитационных аномалий с помощью топологических порядков». Физический обзор D . 88 (4): 045013. arXiv : 1303.1803 . Бибкод : 2013PhRvD..88d5013W . дои : 10.1103/physrevd.88.045013 . ISSN   1550-7998 . S2CID   18250786 .
  4. ^ Левин, Майкл; Гу, Чжэн-Чэн (10 сентября 2012 г.). «Подход статистики переплетения к топологическим фазам, защищенным симметрией». Физический обзор B . 86 (11): 114109. arXiv : 1202.3120 . Бибкод : 2012PhRvB..86k5109L . дои : 10.1103/physrevb.86.115109 . ISSN   1098-0121 . S2CID   118688476 .
  5. ^ Вэнь, Сяо-Ган (31 января 2014 г.). «Топологические инварианты защищенных симметрией топологических фаз взаимодействующих бозонов и фермионов». Физический обзор B . 89 (3): 035147. arXiv : 1301.7675 . Бибкод : 2014PhRvB..89c5147W . дои : 10.1103/physrevb.89.035147 . ISSN   1098-0121 . S2CID   55842699 .
  6. ^ Лу, Юань-Мин; Вишванат, Ашвин (14 сентября 2012 г.). «Теория и классификация взаимодействующих целочисленных топологических фаз в двух измерениях: подход Черна-Саймонса». Физический обзор B . 86 (12): 125119. arXiv : 1205.3156 . Бибкод : 2012PhRvB..86l5119L . дои : 10.1103/physrevb.86.125119 . ISSN   1098-0121 . S2CID   86856666 .
  7. ^ Лю, Чжэн-Синь; Мэй, Цзя-Вэй; Да, Пэн; Вэнь, Сяо-Ган (24 декабря 2014 г.). «Топологический порядок U (1) × U (1) защищенный симметрией в волновых функциях Гутцвиллера». Физический обзор B . 90 (23): 235146. arXiv : 1408.1676 . Бибкод : 2014PhRvB..90w5146L . дои : 10.1103/physrevb.90.235146 . ISSN   1098-0121 . S2CID   14800302 .
  8. ^ Лю, Чжэн-Синь; Вэнь, Сяо-Ган (7 февраля 2013 г.). «Фазы квантового спинового зала с защищенной симметрией в двух измерениях». Письма о физических отзывах . 110 (6): 067205. arXiv : 1205.7024 . Бибкод : 2013PhRvL.110f7205L . дои : 10.1103/physrevlett.110.067205 . ISSN   0031-9007 . ПМИД   23432300 . S2CID   12995741 .
  9. ^ Следует также отметить семантическую тонкость названия SPT: «защищенная симметрия» не означает, что устойчивость состояния сохраняется «благодаря симметрии», а лишь означает, что симметрия сохраняется за счет взаимодействий, соответствующих процесс.
  10. ^ Холдейн, FDM (11 апреля 1983 г.). «Нелинейная теория поля антиферромагнетиков Гейзенберга с большим спином: полуклассически квантованные солитоны одномерного состояния Нееля с легкой осью» . Письма о физических отзывах . 50 (15). Американское физическое общество (APS): 1153–1156. Бибкод : 1983PhRvL..50.1153H . дои : 10.1103/physrevlett.50.1153 . ISSN   0031-9007 .
  11. ^ Холдейн, FDM (1983). «Континуальная динамика одномерного антиферромагнетика Гейзенберга: идентификация с помощью нелинейной сигма-модели O (3)». Буквы по физике А. 93 (9). Эльзевир Б.В.: 464–468. Бибкод : 1983PhLA...93..464H . дои : 10.1016/0375-9601(83)90631-x . ISSN   0375-9601 .
  12. ^ Аффлек, Ян; Холдейн, FDM (1 сентября 1987 г.). «Критическая теория квантовых спиновых цепочек». Физический обзор B . 36 (10). Американское физическое общество (APS): 5291–5300. Бибкод : 1987PhRvB..36.5291A . дои : 10.1103/physrevb.36.5291 . ISSN   0163-1829 . ПМИД   9942166 .
  13. ^ Аффлек, I (15 мая 1989 г.). «Квантовые спиновые цепочки и щель Холдейна». Физический журнал: конденсированное вещество . 1 (19). Издательство ИОП: 3047–3072. Бибкод : 1989JPCM....1.3047A . дои : 10.1088/0953-8984/19.01.001 . ISSN   0953-8984 . S2CID   250850599 .
  14. ^ Мишра, Шантану; Катарина, Гонсалу; Ву, Фупенг; Ортис, Рикардо; Джейкоб, Дэвид; Эймре, Кристьян; Ма, Джи; Пиньедоли, Карло А.; Фэн, Синьлян; Руффье, Паскаль; Фернандес-Россье, Хоакин; Фазель, Роман (13 октября 2021 г.). «Наблюдение дробных краевых возбуждений в спиновых цепочках нанографена». Природа . 598 (7880): 287–292. arXiv : 2105.09102 . Бибкод : 2021Natur.598..287M . дои : 10.1038/s41586-021-03842-3 . ПМИД   34645998 . S2CID   234777902 .
  15. Перейти обратно: Перейти обратно: а б Чен, Се; Лю, Чжэн-Синь; Вэнь, Сяо-Ган (22 декабря 2011 г.). «Двумерные топологические порядки, защищенные симметрией, и их защищенные бесщелевые краевые возбуждения». Физический обзор B . 84 (23): 235141. arXiv : 1106.4752 . Бибкод : 2011PhRvB..84w5141C . дои : 10.1103/physrevb.84.235141 . ISSN   1098-0121 . S2CID   55330505 .
  16. ^ Чен, Се; Гу, Чжэн-Чэн; Лю, Чжэн-Синь; Вэнь, Сяо-Ган (4 апреля 2013 г.). «Симметрия защищает топологические порядки и групповые когомологии их группы симметрии». Физический обзор B . 87 (15): 155114. arXiv : 1106.4772 . Бибкод : 2013PhRvB..87o5114C . дои : 10.1103/physrevb.87.155114 . ISSN   1098-0121 . S2CID   118546600 .
  17. ^ Вишванат, Ашвин; Сентил, Т. (28 февраля 2013 г.). «Физика трехмерных бозонных топологических изоляторов: ограниченная поверхностью критичность и квантовый магнитоэлектрический эффект» . Физический обзор X . 3 (1): 011016. arXiv : 1209.3058 . Бибкод : 2013PhRvX...3a1016V . дои : 10.1103/physrevx.3.011016 . ISSN   2160-3308 .
  18. ^ Антон Капустин, «Топологические фазы, аномалии и кобордизмы, защищенные симметрией: за пределами групповых когомологий» arXiv:1403.1467
  19. ^ Ван, Ювен К.; Гу, Чжэн-Чэн; Вэнь, Сяо-Ган (22 января 2015 г.). «Теоретико-полевое представление топологических инвариантов, защищенных симметрией калибровочной гравитации, групповых когомологий и не только». Письма о физических отзывах . 114 (3): 031601. arXiv : 1405.7689 . Бибкод : 2015PhRvL.114c1601W . doi : 10.1103/physrevlett.114.031601 . ISSN   0031-9007 . ПМИД   25658993 . S2CID   2370407 .
  20. ^ Капустин Антон; Торнгрен, Райан; Турзилло, Алекс; Ван, Цзытао (2015). «Фермионная симметрия защищает топологические фазы и кобордизмы». Журнал физики высоких энергий . 2015 (12): 1–21. arXiv : 1406.7329 . Бибкод : 2015JHEP...12..052K . дои : 10.1007/jhep12(2015)052 . ISSN   1029-8479 . S2CID   42613274 .
  21. ^ Вэнь, Сяо-Ган (4 мая 2015 г.). «Построение тривиальных состояний с защищенной бозонной симметрией и их топологических инвариантов с помощью нелинейных σ-моделей G × SO (∞)». Физический обзор B . 91 (20): 205101. arXiv : 1410.8477 . Бибкод : 2015PhRvB..91t5101W . дои : 10.1103/physrevb.91.205101 . ISSN   1098-0121 . S2CID   13950401 .
  22. ^ Гу, Чжэн-Чэн; Вэнь, Сяо-Ган (23 сентября 2014 г.). «Топологические порядки с защищенной симметрией для взаимодействующих фермионов: фермионные топологические нелинейные σ-модели и теория специальных групповых суперкогомологий». Физический обзор B . 90 (11): 115141. arXiv : 1201.2648 . Бибкод : 2014PhRvB..90k5141G . дои : 10.1103/physrevb.90.115141 . ISSN   1098-0121 . S2CID   119307777 .
  23. ^ Верстраете, Ф.; Сирак, Дж.И.; Латорре, Дж.И.; Рико, Э.; Вольф, ММ (14 апреля 2005 г.). «Преобразования ренормгруппы в квантовых состояниях». Письма о физических отзывах . 94 (14): 140601. arXiv : quant-ph/0410227 . Бибкод : 2005PhRvL..94n0601V . дои : 10.1103/physrevlett.94.140601 . ISSN   0031-9007 . ПМИД   15904055 . S2CID   21362387 .
  24. ^ Чен, Се; Гу, Чжэн-Чэн; Вэнь, Сяо-Ган (13 января 2011 г.). «Классификация щелевых симметричных фаз в одномерных спиновых системах». Физический обзор B . 83 (3): 035107. arXiv : 1008.3745 . Бибкод : 2011PhRvB..83c5107C . дои : 10.1103/physrevb.83.035107 . ISSN   1098-0121 . S2CID   9139955 .
  25. ^ Тернер, Ари М.; Поллманн, Франк; Берг, Эрез (8 февраля 2011 г.). «Топологические фазы одномерных фермионов: точка зрения запутанности». Физический обзор B . 83 (7): 075102. arXiv : 1008.4346 . Бибкод : 2011PhRvB..83g5102T . дои : 10.1103/physrevb.83.075102 . ISSN   1098-0121 . S2CID   118491997 .
  26. ^ Фидковский, Лукаш; Китаев, Алексей (8 февраля 2011 г.). «Топологические фазы фермионов в одном измерении». Физический обзор B . 83 (7). Американское физическое общество (APS): 075103. arXiv : 1008.4138 . Бибкод : 2011PhRvB..83g5103F . дои : 10.1103/physrevb.83.075103 . ISSN   1098-0121 . S2CID   1201670 .
  27. ^ Шух, Норберт; Перес-Гарсия, Давид; Сирак, Игнасио (31 октября 2011 г.). «Классификация квантовых фаз с использованием состояний матричного произведения и прогнозируемых состояний запутанной пары». Физический обзор B . 84 (16): 165139. arXiv : 1010.3732 . Бибкод : 2011PhRvB..84p5139S . дои : 10.1103/physrevb.84.165139 . ISSN   1098-0121 . S2CID   74872240 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 6379d205c7a4b341ab31f81eca4a7a7f__1664995800
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/63/7f/6379d205c7a4b341ab31f81eca4a7a7f.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Symmetry-protected topological order - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)