关于拓扑物态AZ十重分类的问题?
第一个问题是,为什么要以时间反演对称性、手征对称性和粒子空穴对称性这三个对称性作为分类标准?我看有说法是考虑离散对称性来分类,那为啥这三个离散对称性对拓扑就这么...
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好像大家默认忽略了第二个问题。。。
粒子-空穴对称性是指手征算符与哈密顿量反对易,而不是对易,所以手征算符并没有kramers简并的对应物,但可以把本征态映射到能量为相反数的本征态,这就是“粒子-空穴对称性”名字的由来。。。
至于为什么选CT作为分类,我觉得更好的问题是“为什么不选CPT作为分类”——毕竟QFT课上就是这么教的——我想这大概是因为格点系统里P太容易破缺了吧。。。
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L.CCC - 66 个点赞 👍
瞎扯求轻喷。
题主咨询了“拓扑物态AZ十重分类”,姑且把讨论范围限定在无相互作用的、有能隙的、费米子体系(其他不会,蹲dl)。
首先,量子系统的对称性可以大致分成unitary和antiunitary两大类。
其依据可以是严谨的Wigner's Symmetry Representation Theorem:对称操作在Hilbert Space中的群表示是linear unitary变换或antilinear antiunitary变换;
也可以naive的认为对称操作 |\alpha\rangle \rightarrow|\tilde{\alpha}\rangle, \quad|\beta\rangle \rightarrow|\tilde{\beta}\rangle ,应当保证观测的probability |\langle \alpha|\beta\rangle |^2 = |\langle \tilde\alpha|\tilde\beta\rangle |^2 不变,这可以是内积不变 \langle \alpha|\beta\rangle = \langle \tilde\alpha|\tilde\beta\rangle ,对应unitary对称变换;也可以是 \langle\tilde{\beta} \mid \tilde{\alpha}\rangle=\langle\beta \mid \alpha\rangle^*=\langle\alpha \mid \beta\rangle ,对应antiunitary对称变换。
其中时间反演对称性 \mathcal{T} 、粒子空穴(电荷共轭)对称性 \mathcal{C} 、手征对称性 \mathcal{S} \equiv \mathcal{C} \mathcal{T} 这三个对称性便属于后者,即antiunitary 及其衍生出的对称性(因为手征对称性并非antiunitary而是两个antiunitary复合而成的unitary),这也是这三种对称性更特殊的原因(更严格地说是这三种对称性在单体Hamiltonian空间中与单体Hamiltonian不对易性)。题文中的将其特殊性归类为离散对称性的说法不够specific,因为离散对称性还包括空间平移、旋转、反演等等空间群点群变换操作。这些对称性虽然也能用于对系统进行拓扑分类,进而衍生出拓扑晶体绝缘体(Topological Crystalline Insulator)等更复杂的分类,但他们的地位没有时间反演对称性、手征对称性和粒子空穴对称性这三个对称性衍生出的AZ 10-fold Classification重要。
首先,antiunitary symmetry拓扑分类更加基本,若系统没有unitary symmetry,则必然落到 @拉格朗日的学生 dl回答提到的按照“是否有 \mathcal{T},\,\mathcal{C},\,\mathcal{S}对称性”以及“ \mathcal{T}^2,\,\mathcal{C}^2,\,(\mathcal{C}\mathcal{T})^2 = \pm 1 ”分类的AZ 10-fold classification中,即使什么对称性都没有也可以归入A类;而若系统有unitary对称性,我们总可以将系统按照unitary对称算符的本征值,把哈密顿量块对角化,此时每个块不在具有unitary对称性,若还有其他对称性则进一步块对角化,直到没有unitary对称性为止。分析这些块的对称性对应的SPT(Symmetry Protected Topology)便只剩下antiunitary symmetry保护的拓扑。此时,我们并非不关心其他unitary对称性及其保护的拓扑,只是存在先后处理的区别,因为我们总可以先处理antiunitary symmetry的拓扑分类(即使什么对称性也没有),再处理unitary symmetry的拓扑分类。例如我们先关心time-reversal、chiral、particle-hole symmetry分出的拓扑绝缘体/陈绝缘体/拓扑超导体,再关心translation、inversion、mirror等symmetry进一步细分出的不同拓扑晶体绝缘体分类。
AZ 10-fold classification,+1,-1代表T^2, C^2, S^2的值,0代表没有该对称性 另一方面,时间反演对称性、手征对称性和粒子空穴对称性这三种antiunitary对称性对应的拓扑分类也更加robust,因为他们不需要其他晶格对称性(unitary对称性)的保护、在有(不破坏对应对称性的)disorder系统中仍然成立。
例如,虽然我们经常在能带系统中计算Chern Insulator robust的Hall conductivity、chiral edge state等性质,但即使没有晶格甚至是杂乱的系统,也能够有对应的拓扑分类。类似的,即使是杂乱无章的系统,只要没有破坏时间反演对称性的杂质(磁性掺杂),系统仍然有robust的 \mathbb{Z}_2 classification和 helical edge state。
相比之下,依靠unitary对称性保护的拓扑分类,例如镜面对称性(Mirror Symmetry)系统中按照Mirror Chern number分类的Mirror Chern Insulator,需要在系统体态满足特定空间对称性的情况下才是robust的;再比如weak TI也需要空间平移对称性的保护。而且,我们关心的边缘态只能在保持相应对称性的边界才能观测到,这样,在拓扑晶体绝缘体中我们detect边缘态还要考虑该边缘是否保持了系统的镜面对称性、空间对称性等等因素,相比之下,antiunitary symmetry因为不涉及空间对称性,边界更不容易破坏该对称性,这也从另一角度体现了antiunitary对称性对应的10-fold classification相比拓扑晶体绝缘体看起来更加robust的特点。
参考文献
[1] Sakurai, J. J., & Commins, E. D. (1995). Modern quantum mechanics, revised edition.
[2] Chiu, C. K., Teo, J. C., Schnyder, A. P., & Ryu, S. (2016). Classification of topological quantum matter with symmetries.Reviews of Modern Physics,88(3), 035005.
[3] Ryu, S., Schnyder, A. P., Furusaki, A., & Ludwig, A. W. (2010). Topological insulators and superconductors: tenfold way and dimensional hierarchy.New Journal of Physics,12(6), 065010.
[4] Altland, A., & Zirnbauer, M. R. (1997). Nonstandard symmetry classes in mesoscopic normal-superconducting hybrid structures.Physical Review B,55(2), 1142.
编辑于 2023-07-17 10:33・IP 属地浙江查看全文>>
O空O扬O - 14 个点赞 👍
AZ 十重分类是利用Cartan's thoery[1]对有对称性的厄米矩阵的一种分类手段。这个分类手段只是有的时候对应了真实的物理情况。在原文[2][3]中,AZ认为自旋反射(C), 时间反演(T) ,和电荷对称性更基本,而空间对称性是额外的,他们会被哪怕是淬灭的无序破坏。
为什么有三个对称性作为分类标准?这很好理解。任意的写下一个费米子的自由二次模型,它可以被四个马脚若拉实算符展开,因此它具有对称性 O(4) , O(4) 中有三个 Z_2 ,自然就可以拿出来做分类了。 O(4)/Z_2\simeq SU(2) \times SU(2) , SU(2)/Z_2\simeq SO(3) 。从这里的群代数来看,有一些算术冗余(看定义),因此只有十个分类指标。
分类厄米矩阵(单体哈密顿量)不代表正确的分类了真实系统的基态多体波函数。比如打破了粒子空穴对称之后,系统有没有带电(有没有和电磁场耦合),对系统的拓扑性质影响很大[4]。比如这里讲的超导体(打破了电荷对称性的哈密顿量)就不描述真实的超导体[4],而是更加恰当的描述了不带电的He3超流体。
参考
编辑于 2023-07-17 03:13・IP 属地美国查看全文>>
浅斟低唱 - 8 个点赞 👍
对于你的第一个问题,下面这个视频应该可以解答
(5) TMS18.L1. Alexander Altland. Topological matter classification (I). - YouTube
看起来是这样一个逻辑,我们依据anti-unitary的symmetry给哈密顿量分类:
1.存在 T-symmetry, 且 T^2=1 ;存在 T-symmetry, 且 T^2=-1 ; 不存在 T-symmetry
定义:其中T 是一个anti-unitary的symmetry,并且 THT^{-1 }=H
2. 存在 C-symmetry, 且 C^2=1 ;存在C-symmetry, 且 C^2=-1 ;不存在C-symmetry
定义:其中 C是一个anti-unitary的symmetry,并且 CHC^{-1}=-H
上面总共有9种可能,另外定义S-symmetry (chiral symmetry), S=TC,显而易见的S是一个unitary的symmetry, 并且 SHS^{-1}=-H ,当T-symmetry和C-symmetry都不存在的时候,S可能存在(那就是存在一个unitary symmetry S,让 SHS^{-1}=-H ),也可能不存在。
总共十种 (错了求轻喷,这是我理解的视频里面的内容。)
编辑于 2023-07-16 16:24・IP 属地中国香港查看全文>>
拉格朗日的学生 - 0 个点赞 👍
想在这个问题下请教各位老师同学,tenfold way表里给出不同对称性下哈密顿满足的李群李代数关系,能不能直接用已知的这些李群流形把对应各阶的同伦群算出来当作拓扑指标,如果不能那么同伦群又和真实的拓扑指标差在哪里呢?(个人感觉同伦群很多时候更好算且几何意义很直观)
发布于 2023-07-19 17:23・IP 属地中国香港查看全文>>
带带zsr