Language
Country/Area
No result found
Тайна короткодействующих запутанных состояний: как порядок SPT защищает симметрию в квантовой физике?
По мере того, как ученые все глубже погружаются в квантовую физику, их классификация и понимание квантовых состояний становятся все более сложными. В последнее время топологический порядок с защищенной симметрией (SPT-порядок) стал предметом пристального внимания исследователей и вызвал широкую дискуссию в физическом сообществе. Этот порядок представляет собой особое состояние квантовой системы при низких температурах с очевидными характеристиками и квантовыми свойствами, имеющими большое значение для физических исследований и практических приложений.
Симметрийно-защищенный топологический порядок (SPT-порядок) — это квантовое состояние, основанное на симметрии, в котором даже небольшие изменения не могут плавно перейти в другие состояния без изменения фазы.
Определение порядка SPT основано на двух ключевых особенностях: во-первых, для заданной симметрии различные состояния SPT не могут быть плавно преобразованы с сохранением симметрии. Во-вторых, эти состояния могут быть преобразованы в тривиальные состояния-произведения без изменения фазы, когда симметрия нарушена. Короче говоря, порядок SPT демонстрирует характеристики ближней запутанности в физических системах, что делает эти состояния неспособными образовывать дальнюю запутанность, тем самым демонстрируя четкое отличие от других топологических состояний.
Запутанное состояние ближнего действия обладает свойством быть просто тривиальным топологическим порядком, который также можно назвать «тривиальным» порядком с защищенной симметрией.
Дальнейшее изучение характерных свойств порядка SPT показало, что граничная эффективная теория этих состояний должна иметь скалярные аномалии или смешанные аномалии гравитационного потенциала. Это означает, что независимо от того, как разрезать образец для формирования границ, границы состояний SPT либо бесщелевые, либо многократно вырожденные, и что для нетривиальных состояний SPT чисто щелевые границы невозможны. Кроме того, если граница демонстрирует щелевидно-вырожденное состояние, это вырождение может быть вызвано спонтанным нарушением симметрии или внутренним топологическим порядком.
После введения концепции квантовой запутанности мы понимаем связь между состоянием SPT и внутренним топологическим порядком. Внутренний топологический порядок представляет собой состояние дальнодействующей запутанности, в то время как состояние SPT поддерживает ближнедействующую запутанность. Хотя в некоторых случаях оба состояния могут обладать способностью защищать бесщелевые граничные возбуждения, свойства прочности этих двух состояний различны. Граничные возбуждения внутреннего топологического порядка более устойчивы к локальным возмущениям из-за их топологических защитных характеристик; в то время как граничные возбуждения порядка SPT устойчивы только к локальным возмущениям, которые не разрушают симметрию.
Например, в системе спин-орбитальной связи 2+1D как спиновая производная Холла, так и квантовая производная Холла демонстрируют различные характеристики квантования, которые тесно связаны с существованием порядка SPT.
Применения и примеры порядка SPT также очень богаты. Самый ранний пример можно проследить до фазы Холдейна, которая соответствует цепочке с нечетным спином. Фаза Холдейна защищена спиновой вращательной симметрией SO(3). Напротив, фаза Холдейна цепи с четным спином не обладает этим защищенным симметрией топологическим порядком. Кроме того, топологические изоляторы невзаимодействующих фермионов также являются хорошо известной фазой SPT, которая защищена симметриями U(1) и обращения времени. Напротив, дробные квантовые состояния Холла не принадлежат к состояниям SPT. Они являются состояниями с внутренним топологическим порядком и обладают характеристиками дальнодействующей запутанности.
В процессе систематического изучения фаз SPT ученые использовали теорию когомологий групп для их классификации. Все щелевые фазы при нулевой температуре можно разделить на две категории: запутанные фазы с большим радиусом действия и запутанные фазы с малым радиусом действия. Фазу запутанных частиц на коротких расстояниях можно далее разделить на фазу нарушения симметрии, фазу SPT и их смешанные фазы. Эта серия исследований не только расширила наше понимание квантовых фаз, но и предсказала множество новых состояний квантовой материи, включая взаимодействующие топологические изоляторы и сверхпроводники.
Благодаря дальнейшему исследованию порядка SPT ученые получили новое представление о полной классификации одномерных квантовых фаз. Исследование показывает, что все одномерные щелевые квантовые состояния являются запутанными на коротком расстоянии, что означает, что при отсутствии нарушения симметрии все эти состояния принадлежат одной и той же фазе — тривиальному продуктному состоянию. С помощью этой системы мы можем лучше понять взаимосвязь между различными квантовыми фазами и продемонстрировать богатство взаимодействующих квантовых систем.
Исследования порядка SPT продолжаются по всему миру, что не только обогатит наше понимание квантовой физики, но и может привести к появлению новых технологий и приложений в будущем. Чувствуете ли вы также желание исследовать и понять такой сложный и удивительный квантовый мир?
