仲费米子模型中的拓扑相及XY模型中耗散的研究

发布时间：2020-05-10 13:59

【摘要】：强关联量子多体系统一直是凝聚态物理领域研究的热点。凝聚态中一些重要的物理现象包括高温超导,分数量子霍尔效应以及自旋液体,都与强关联效应相关。除了极少数一些精确求解的方法(Betheansatz),理论上一直缺少对这类模型系统求解的方法。在近三十年的发展中,比较成功的解决强关联系统的数值方法包括量子蒙特卡罗方法,动力学平均场,密度矩阵重整化群方法等,其中在处理一维格点模型时候比较有效算法当属密度矩阵重整化群。另一方面,近二十年来人们在量子系统调控技术方面取得重要进展,特别是在冷原子系统中通过Feshbach共振可以自由调节原子-原子相互作用,以及通过光晶格实现晶格系统,使得人们可以用冷原子系统模拟一些凝聚态中的多体量子系统,这为量子多体系统的研究开辟了新的道路。随着量子模拟技术的发展,一些有趣的量子多体玩具模型被提出来,这其中就包括仲费米子模型(或者钟表模型)。在强关联量子系统中,拓扑序是近些年发现的一种新的物质形态,最早发现的拓扑态是分数量子霍尔态。对拓扑序的分类超越了传统的朗道基于对称破缺理论对物相的分类。具有拓扑序的系统一般都是强关联的多体量子系统,它们可以用拓扑量子场论来描述。这些系统往往具有任意子类型的准粒子激发,以及非平庸的基态简并。量子信息可以存储在这些准粒子编码的简并量子态中,对这些准粒子编织可以实现拓扑量子计算。拓扑系统的一大特点就是它对局域微扰的稳定性,这些局域微扰一般都是针对封闭系统而言的。但是由于真实实验上的物理系统都是开放系统,将一个热库包含进整个系统往往是不现实的,因此拓扑系统对开放环境噪声的稳定性仍然是一个值得研究的问题,例如耗散对拓扑量子信息存储的影响就是一个有意义的研究方向。同时,开放量子多体系统的演化问题本身就是量子物理中一个重要问题,精确可解的主方程描述的开放量子系统仍然限于一些特殊的单个粒子,单个自旋或者谐振子模型。事实上,最近已经有研究表明一些多体量子主方程可以用单粒子方法精确求解,然而这仍然只是很少的一部分系统。我们利用密度矩阵重整化群和精确对角化方法研究了一维扩展Z3仲费米子模型的相图,这个模型可以通过Jordan-Wigner变换变成钟表模型。我们发现在大塞曼场极限下,每一个格点投影到一个单态或者一个两重态上,在后者情况下,我们看到这个模型可以光滑变化到传统的自旋1/2系统,体现了仲费米子到正则费米子的渐进行为或者Z2自旋模型在Z3模型的呈展(emergent)现象。我们通过推广自旋1/2系统的研究工具例如序参量和关联函数到Z3模型,将模型整个相图完全确定下来,丰富的相被揭示出来,包括拓扑铁磁仲费米子相(FP),平庸的顺磁仲费米子相(PP),自旋流体相(SF),二聚(dimer)相,手征(chiral)相以及可公度相(C)。令人惊奇的的是,所有的相边界最终汇聚到一个超级临界点上,不同的相可以认为是在这个高对称点发生某种对称破缺。接着这个工作我们又研究了另一种交替仲费米模型,延续寻找呈展现象的研究方法,我们发现在这个模型中会出现呈展的Haldane相。为了表征这个对称保护的拓扑相,我们推广了 Z2自旋模型中的弦序参量到Z3系统,同时利用纠缠谱和基态简并进一步强化了这一结论。紧接着进行对称保护拓扑相的研究,在另外一个扩展Z3 × Z3钟表模型中,我们通过推广Jordan-Wigner变换,将模型变成两条脱耦的仲费米子链。利用这个方法我们发现了一种反常的无能隙对称保护的拓扑相。这种相的特点是,在不破坏Z3×Z3对称性的微扰下,系统的基态和低能激发态总是保持三重简并,并且基态在开边界和闭边界下具有不同的基态简并,反应了边界态的存在。另外我们还验证了这种态的纠缠谱也是三重简并的。我们的工作为研究其他在仲费米子模型中更反常的拓扑相的问题提供了一种新的思路。另一方面,我们还研究了一个具有边界耗散的XY模型的弛豫行为,这个模型可以通过Jordan-Wigner变换变成一个具有边界耗散的拓扑超导模型。这个模型具有马约拉纳零模,一般认为可以进行拓扑量子存储。研究边界耗散的XY模型就等价于研究拓扑量子态在边界耗散下的退相干行为。我们首先将模型写在马约拉纳表象下,发现不同数目的马约拉纳空间是相互脱耦的。在长时间极限下,我们发现系统的弛豫是完全由单粒子耗散决定的。通过将单粒子耗散方程映射到非厄米的薛定谔方程,我们分别用线性展开和微扰理论理解了单粒子弛豫在弱耗散和强耗散极限下的行为。我们发现了大耗散会导致长时间的弛豫这种反常的行为。另一方面我们还分析了边界态和体态在耗散中起到的作用,结果发现边界态是最容易受到耗散影响的,而体态却给出了最长时间的弛豫。我们的工作从一个新的视角研究拓扑量子存储在开放系统的耗散问题,暗示拓扑信息存储在开放环境噪音下可能并不稳定,这一问题有待进一步研究。
【图文】：

？ｃｏｎｓｔ．逦（１．１０）逡逑而对于二维系统来说，两部分的分隔边界是一条线，见图１．３逡逑Ｓ邋？Ｌ＿逦（１．１１）逡逑下面我们把焦点放在一维系统上，有能隙的局域哈密顿量的基态的纠缠熵随着逡逑链长的变化一直保持一个常数这是一个非常强的条件，这意味着我们关心的物逡逑理态仅仅占据在整个希尔伯特空间的很小的一个角落。也就是说，我们并不需逡逑要２〃那么多的系数来确定所关心的量子态，而仅仅需要找到那些可以表征这些逡逑态的的参数就可以了。那么如何去进一步表征这些量子态呢？事实上，对于这样逡逑一些轻微纠缠的量子态，只有很少一部分的施密特态对它有贡献。为了说明这逡逑４逡逑

⑷逦（ｂ）逡逑图１．４逦（ａ）平面被分成Ａ邋Ｂ，Ｃ＊，１３四部分。它们之间存在两交汇点和三交汇点。（ｂ）变形三逡逑交汇点。图引自［３］逡逑由于每个区域尺寸相对关联长度大得多，那么NB距离形变区域非常远，因此将Ａ逡逑区域加在ＳＣ区域将不会对纠缠熵的改变产生什么影响，故＝邋0。逡逑同理，Ａ＆ｃ邋—Ａ免＝０，，得到△了邋＝邋０。逡逑如果在三交汇处变形，如图１．４ｂ，那么变形前后不会发生改变。另一逡逑方面，对于纯态分成两块求纠缠熵，得到的互补的两部分纠缠熵是一样的，即逡逑＝邋知0邋＝邋＜＾0，因此Ｊ的变化为逡逑Ａ７邋＝邋｛ＡＳｂ邋－邋ＡＳａｂ）邋＋邋（ＡＳＣ邋－邋ＡＳａｃ）邋＋邋（ＡＳＤ邋－邋ＡＳａｄ）邋．逦（１．１７）逡逑用与两交汇处相似的讨论可得ＡＪ邋＝邋０。因此对于有能系的具有拓扑序的系统基逡逑态
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O469


本文编号：2657410