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凝聚态中的拓扑(三):Haldane大叔的猜想

凝聚态中的拓扑(三):Haldane大叔的猜想

文:孟子杨(物理所)、
刘正鑫(人民大学)

今年的诺贝尔物理学奖授予了三位理论物理学家,分别是美国华盛顿大学的 David J. Thouless,普林斯顿大学的 F. Duncan M. Haldane和布朗大学的 J. Michael Kosterlitz,以表彰他们在凝聚态中拓扑相变和拓扑相方面的杰出贡献。作为在这一领域工作的晚辈研究者,我们衷心地为几位前辈的获奖而感到高兴,同时也深受鼓舞。Haldane获奖的主要原因是以他命名的 Haldane conjecture和后来提出的反常量子霍尔理论模型(后者对拓扑绝缘体的发现和整数反常霍尔材料的制备起了重要的作用)。这篇小文,就从这位和蔼可亲的 Haldane大叔和他著名的猜想讲起。

让我们一起回到上个世纪八十年代。对于凝聚态物理,那是一个激动人心的时代,一系列重要的故事都发生在这个年代:高温超导体和量子霍尔效应相继被发现 (前者目前在理论上还没有完全定论,但是后者就是拓扑物质形态的代表)。两个实验上的突破激励着理论上的重大变革:统治了凝聚态物理学几十年 Landau理论,包括费米液体理论和基于对称自发破缺的连续相变理论受到挑战,再也招架不住实验上革命性的新发现的连续攻势。新的理论应运而生,其中包括拓扑相和拓扑序这些崭新的概念。Haldane大叔在一维反铁磁自旋链中的著名的工作就是在这个时代完成的。

1983年 Haldane大叔做出了一个猜想:整数和半整数具有反铁磁海森堡相互作用的量子自旋链,

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它们的基态都没有长程反铁磁序(与之相对的是,经典反铁磁自旋链在零温下具有反铁磁长程序),但其磁激发谱有很大的不同,前者的磁激发谱有能隙,而后者没有Haldane [1983a,b]。

凝聚态中的拓扑(三):Haldane大叔的猜想 图1: S=1 的AKLT 模型基态。每个S=1 的自旋(图中的椭圆)可以拆成两个S=1/2 (图中的黑点),两个S=1/2 又可以组合成一个自旋单态。系统在体内是自旋单态的直积,在左右边界上各有一个S=1/2 的边界态。

Haldane这个猜想为什么如此有名呢?原因有三。其一,80年代以前,人们还沉浸在 Landau的对称破缺理论中,还是习惯于从对称性破缺和长程序来区分物质的不同形态或者相,而 Haldane的猜想犹如一声惊雷,让人们开始关注没有对称破缺的物质形态,里面有一个很大的未开垦的王国,即拓扑物质形态,或拓扑相;其二,整数和半整数自旋的区别完全是量子力学的效应,是量子的威力在宏观的强关联多体系统中的体现,没有经典的物理对应;其三,Haldane预言的量子相在实验上被实现,其猜想的正确性也被大量研究所证实。

Haldane还研究了海森堡相互作用中存在各向异性的情况,阐明能隙的存在是很稳定的,不受 XXZ类型或单离子或其他类型的各项异性项的影响。由于整数自旋(特别是S=1)的反铁磁链中的能隙不受微扰的影响,这个稳定存在的有能隙的量子态构成一个非平庸的量子相(其基态没有对称破缺,但因为存在边界态,而与平庸的有能隙的直积态有本质区别),后来被称为 Haldane phase。

Haldane有着过人的计算能力和良好的物理直觉。其猜想是从准经典的角度,在磁有序的经典基态上考虑量子涨落,并在大的时间和空间尺度下取连续极限,通过场论的分析而得到的。由于其理论相对比较晦涩,这些我们放到本文后半部分讲解,这里先说说 Haldane猜想对后来研究产生的影响。

在 Haldane大叔提出 conjecture之后不久,Affleck-Kennedy-Lieb-Tasaki四位大佬提出了后来以其名字命名的 AKLT模型Affleck et al. [1987](其基态可以严格的得到,如图1所示),简洁而漂亮阐述了S=1的自旋反铁磁链的基态,即 Haldane phase,并证明了其(1)没有反铁磁长程序;(2)具有有限的能隙;(3)具有自旋S=1/2的边界态。其中第三条是 Haldane phase最异乎寻常也最引人注意的地方。可惜的是 Haldane本人没有意识到整数自旋链具有半整数自旋边界态这个奇特性质,后来才被 Tai-Kai Ng从场论角度解释清楚Ng [1994]。看来 Nobel奖级的大人物的思维也有断电的时候:-);亦或是 Haldane大叔宅心仁厚,给后人分一杯羹。

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图2: (a) 反铁磁海森堡自旋梯子的量子蒙特卡洛模拟结果。纵轴为磁化率,横轴为温度。偶数条腿的自旋梯子,相当于S 为整数的自旋链,具有能隙,磁化率在低温下指数地降为零;奇数条腿的自旋梯子,相当于S 为半整数的自旋链,没有能隙,磁化率在低温下为常数。(b) S = 1 的反铁磁海森堡自旋链中的边界态。(c) S = 1 的反铁磁海森堡自旋链中的Haldane gap, L 为链长度,在链为无穷长时(1/L^2 = 0), gap 为有限值。

AKLT 模型与S=1 的反铁磁海森堡模型并不完全一致,但它们的基态都属于Haldane phase,具有共同的性质。随后人们发现,Haldane phase 中虽然没有明显的对称破缺,却存在隐藏的对称破缺,而且可以通过所谓的弦序参量(string order)

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来描述这一隐藏的对称破缺造成的长程序den Nijs and Rommelse [1989]。值得注意的是,被破缺的隐藏的对称性是非局域的对称性,与通常的global 的对称性是不同的。而且弦序参量本身也是非局域的,不同于通常意义上的局域物理量的长程关联(如下式)。

凝聚态中的拓扑(三):Haldane大叔的猜想 由于具有上述一系列非平凡的物理性质,Haldane phase 是目前公认的早期被发现的拓扑相之一(另一个典型的例子是量子霍尔态)。Haldane 猜想提出不久便吸引了数值和实验上的大量的研究。下面我们来看看Haldane phase, Haldane gap 存在的证据。

90 年代初,Steven White 发明了密度矩阵重正化群的计算方法,并在S = 1 反铁磁海森堡模型自旋链中直接看到S = 1/2 的自旋边界态和体内有限大小的Haldane gap (如图2(b,c) 所示)White [1992], White and Huse[1993]; 而整数和半整数自旋的反铁磁自旋链,还可以推广的具有偶数和奇数条腿的S=1/2 反铁磁海森堡自旋梯子,如图2(a) 所示,对于自旋梯子的量子蒙特卡洛模拟中,整数和半整数自旋在能谱上的不同也被清楚地看到Dagotto and Rice [1996]。

实验学家嗅觉也异常灵敏,80 年代便有实验数据显示了Haldane gap 的存在。后来陆续不少实验验证了基态的无序,以及参杂后断链处出现S = 1/2 的边界磁矩。图3中显示的是S = 1 的反铁磁自旋链材料CsNiCl3的非弹性中子散射谱Kenzelmann et al. [2002],人们清楚地看到了自旋能隙。

凝聚态中的拓扑(三):Haldane大叔的猜想 图3: 自旋链材料CsNiCl3 的中子散射谱,Ni2+ 离子自旋S=1,排成链狀。转移动量Qc=1.00 处的自旋能隙清晰可见。

现在,我们回到理论上的问题,尝试着从凝聚态场论的角度,理解Haldane 大叔的猜想和其中拓扑思想的精髓。Haldane 首先指出反铁磁自旋链的低能有效作用量可以用拓扑O(3) Nonlinear sigma(NLS)模型来描述。人们熟悉的通常的O(3) NLS 作用量为

凝聚态中的拓扑(三):Haldane大叔的猜想 Haldane 指出,需要在上述作用量的基础上加上一个现在被称为θ-term 的拓扑项(两者合起来被称为拓扑NLS)

凝聚态中的拓扑(三):Haldane大叔的猜想 其中 = 2S,S 可以为整数或者半整数, n (x; t) 是单位矢量,描述连续时空中的自旋场局域反铁磁序的方向,(x; t) 是2 维连续时空坐标(术语叫1+1 维)。这个拓扑项θ -term 正是Haldane 猜想产生的根源。

为了看清这个θ-term 的影响,我们不妨先不考虑它,看看普通的NLS 中会发生什么。如果把NLS 中的单位矢量 n 换成标量ϕ , 则其经典运动方程为:,从而给出色散关系:,在k = 0 处, 系统是无能隙的。但是,由于 n 是单位矢量,各个方向的运动方程互相制约,不再是线性的,结果会导致系统能谱有一个有限的能隙。能隙的产生可以从 n (x; t) 在1+1 维路径积分中的拓扑非平庸的涨落来理解,如图4(b) 所示。我们注意到1+1 维反铁磁自旋链的NLS 存在一个经典的孤子解(或瞬子),即所谓的skyrmion,如图4(c) 所示,其自旋构型像一个刺猬球,是拓扑非平庸的。在skyrmion 构型中,当跑遍时空每一点,局域反铁磁序n(x; t)的指向正好遍历球面上的所有方向一次。用拓扑的语言来说,反铁磁序参量 n (或自旋指向)在时空中的缠绕数是1。

凝聚态中的拓扑(三):Haldane大叔的猜想 图4: (a) 反铁磁自旋链的磁有序构型。(b) 自旋场局域反铁磁序参量 n (x; t) 在1+1 维无穷时空中的表述,其中中间的点与(c)中球面的南极点对应,无穷远点与(c) 图球面的北极点对应。(c) 自旋场局域反铁磁序参量 n (x; t) 形成的skyrmion 自旋场在球面上的表述。

由于skyrmion 构型中无穷远点的磁序的方向被翻转,从而skyrmion 的出现倾向于破坏自旋长程序。在路径积分:

凝聚态中的拓扑(三):Haldane大叔的猜想 中我们必须考虑具有不同skyrmion 数目的自旋构型(skyrmion 数目即自旋指向在时空中的缠绕数,可以是任意整数)的贡献。由于skyrmion 构型只消耗有限的作用量,skyrmion 的平均密度是有限大小的。结果就是自旋长程序被skyrmion 的涨落所破坏,自旋关联在时空中都是短程的。也就是说,量子涨落使系统打开了有限的能隙。因此,如果没有θ-term, 系统本身是有能隙的。

那么作用量中的拓扑项Stop 会起到什么作用呢?注意到如果闭合时空中的自旋构型中有一个skyrmion,则拓扑项中的积分正好是球面的立体角4π,因此拓扑项就是给每一个skyrmion 附加一个θ相位。或者说,作用量中的拓扑项贡献的相位等于skyrmion 数目N 乘以θ。由于闭合时空中的skyrmion 数必须为整数,当θ = 2π或者2π 的整数倍的时候(S 为整数自旋),拓扑项也是2π 的整数倍,从而对路径积分完全没有贡献,可以预期系统的能谱和θ = 0 时一致,仍然是有能隙的;当 θ= π 或者 的 π 奇数倍的时候(S 为半整数自旋),拓扑项将对路径积分贡献一个非平庸的符号(��-1)^N:也就是说,拓扑项对路径积分在N 为奇数时贡献一个负号,而N 为偶数时贡献一个正号。由于不同的符号会在路径积分:

凝聚态中的拓扑(三):Haldane大叔的猜想 中发生严重的干涉效应,使得半整数自旋系统的性质与没有拓扑项的情况相比会发生质的改变。但究竟会发生什么样的改变呢?在当时,通过Bethe-ansatz 的严格解,人们已经知道S=1/2 的反铁磁海森堡模型基态上的激发是无能隙的。基于此,Haldane 大叔大胆猜测,所有半整数自旋反铁磁链,激发都是无能隙的!简而言之,就是对于整数自旋的系统(如S=1),拓扑项的存在不改变其有能隙的能谱;而对于半整数的自旋系统(如S=1/2),拓扑项的存在引入路径积分中的干涉效应,是能谱变得无能隙。从前文中各位看官已经知道了答案,历史的发展证明Haldane大叔的猜想是正确的。

从上面的分析看来,θ-term 似乎只对半整数自旋链产生了影响。而对整数自旋,它只对闭合时空路径积分贡献一个平凡的因子1。这是否意味着θ-term 对于整数自旋系统的基态完全不起作用呢?不然!好戏还在后面。为了看清θ-term 的影响,我们考虑开放边界条件下的路径积分。假设1+1 维的时空具有柱面的形状,那么由于时空不闭合,拓扑项不再量子化为2πS 的整数倍。但是如果我们把柱面的两端的圆盘补上(如图5所示),则时空的拓扑项(侧面)加上补上的两端圆盘面的拓扑项的总和是2πS 的整数倍。换句话说,侧面拓扑项等于2πS 的整数倍减去两端圆盘面的拓扑项。因此,拓扑项的影响可归结为空间两个端点处的积分给出的相位,而每个端点处的相位

(这里u 是边界上引入的辅助坐标) 等于自旋所张开的立体角Ω 乘以S/2, 与大小为S/2 的自由自旋绝热演化的Berry phase 完全一致Ng [1994]。这意味着对于整数自旋S 的反铁磁海森堡链,开放边界条件下,其基态存在两个自旋为S/2 的边界态!这样体内有gap, 边界上有边界态的相,就是Haldane phase。Haldane phase 可以通过在模型中加入其它的自旋的相互作用,关闭Haldane gap 而进入拓扑平庸的相,这其中的相变,就是1+1 维NSL +θ-term 的拓扑相变。

凝聚态中的拓扑(三):Haldane大叔的猜想 图5: 开边界条件下的1+1 维路径积分。

Haldane conjecture 被证实,Haldane phase 被观测,以及同时代实验和理论上的一系列进展(比如量子霍尔效应的实验发现和理论解释),让人们开始认识到,除了以往的对称破缺相以外,自然界中还普遍存在另一大类非平凡的拓扑物质形态或拓扑相,这些相有能隙,没有传统的长程序,超越Landau 对称破缺理论,而且某些非平凡的特性(比如存在边界态)能对抗微扰而稳定的存在。Haldane phase,以及前面提到的整数和分数量子霍尔效应,以及高温超导触发的关于(有能隙的)自旋液体的大量研究,都是拓扑相的范畴。还有更激动人心的非对易自旋液体的出现,更是颠覆了人们以往对物质的相的认识。这些非平凡的量子相有一个共同的特点,即低能有效理论由拓扑场论(其中包括拓扑量子场论)或代数所描述,用拓扑的语言来分类,因而被统称为拓扑相。而前面提到的θ -term 只不过是拓扑的一种形式而已,还有Wess-Zumino-Witten-term, Chern-Simons-term,BF term 等等,甚至是某种代数。拓扑相目前已成为凝聚态物理中一个非常重要的研究领域。能够在80 年代就意识拓扑相和拓扑物态,正是Haldane 大叔目光深远的地方。不过Haldane 大叔自己可能也没有想到,30 多年来,凝聚态物理中的拓扑物态研究,已经变成一股汪洋恣肆的洪流,蔚为大观。

人们对自然的认识是随时间推移而逐步明朗化清晰化的。前面提到了各种不同的拓扑相,却并不一定都具有(内禀)拓扑序。现在人们意识到,对称性与拓扑之间有着深刻的关系,而拓扑对物理性质的影响大致可分为两种,一种比较“脆弱”,依赖于对称性的存在而存在;而另一种则更“坚强”,即使系统不存在对称性仍然具有非平凡的拓扑特性。相应地,拓扑相分为对称保护拓扑相和内禀拓扑相(如果内禀拓扑相还具有全局对称性则还会细分为对称丰富拓扑相)。其中的本质区别,正是多体纠缠的区别:前者只有短程纠缠,而后者具有长程纠缠!Haldane phase 就是典型的对称保护拓扑相的例子Gu and Wen [2009], Chen et al. [2012],只具有短程纠缠,并不具有内禀的拓扑序。这些新的概念颠覆了人们早期对Haldane 相的认识,它们产生的历史过程也颇为曲折。而正是这些概念的澄清,使得我们对物质的理解更加深刻,也有助于我们去发现和预言更多的新奇的物质形态。

目前,以Haldane phase 和拓扑绝缘体为代表的对称性保护拓扑相(英文symmetry protected topological phases, 简称SPT),以及SPT 之间的拓扑相变,已然发展成凝聚态理论的前沿领域。在这股SPT 和拓扑相变的大潮中,笔者也在亲身参与着,比如将Haldane phase 向不同对对称群和更高维度的推广Liu et al. [2012, 2014],以及将前文中的1+1 维NSL+ θ-term 的拓扑相变推广到2+1 维,并用大规模的量子蒙特卡洛模拟严格地研究这样的拓扑相变He et al. [2016], Wu et al. [2016],正是我们的工作,有荣与焉!

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