Kitaev模型与拓扑量子相变

文章通过在一种准一维路径上引入自旋算符的约当-维格纳(Jordan-Wigner)变换,证明了Kitaev自旋模型完全等价于一个不含任何非物理自由度的自由Majorana费米子模型。通过对偶变换,进一步证明了这个系统中存在的量子相变可用非定域的拓扑序参量来描述;并且,这些非定域的拓扑序参量在对偶空间变成为定域的朗道类型的序参量。文章作者的工作揭示了传统的量子相变和拓扑量子相变的内在关系,扩展了朗道二级相变理论的适用范围。     

拓扑相和拓扑相变的量子模拟

随着拓扑相和拓扑材料的发现,拓扑已经从数学概念变成现代凝聚态物理学一个重要的前沿方向。尽管越来越多的拓扑材料被预言,在人造可控量子体系中进行拓扑量子模拟仍会对材料的理解和制备起到极大的促进作用。文章简单总结了基于冷原子和超导量子比特系统开展拓扑量子模拟的进展。介绍了这两种量子系统的特点,以及相应的拓扑量子模拟实验方法,还分析了这两种体系在实验手段和物理原理上的联系。     

一维扩展量子罗盘模型的拓扑序和量子相变

应用矩阵乘积态表示的无限虚时间演化块算法,研究了扩展的量子罗盘模型.为了深入研究该模型的长程拓扑序和量子相变,基于奇数键和偶数键,引入了奇数弦关联和偶数弦关联,计算了保真度、奇数弦关联、偶数弦关联、奇数弦关联饱和性与序参量.弦关联表现出三种截然不同的行为:衰减为零、单调饱和与振荡饱和.基于弦关联的以上特征,给出了量子罗盘模型的基态序参量相图.在临界区,局域磁化强度和单调奇弦序参量的临界指数β=1/8表明:相变的普适类是Ising类型.此外,保真度探测到的相变点、连续性与非连续性和序参量的结果一致.     

利用超导量子电路模拟拓扑量子材料

近年来,探索新的拓扑量子材料、研究拓扑材料的新奇物理性质成为凝聚态物理领域的一个热点.但是,由于合成、测量等手段的限制,人们难以在真实材料中实现和观测很多理论预言的材料及其物理性质,促使量子模拟日益成为研究量子多体系统的一个重要手段.作为全固态器件,超导量子电路是一个在扩展性、集成性、调控性上都具有巨大优势的人工量子系统,是实现量子模拟的重要方案.本文总结了利用超导量子电路对时间-空间反演对称性保护的拓扑半金属、Hopf-link半金属和Maxwell半金属等拓扑材料的量子模拟,显示出超导量子电路在模拟凝聚态物理系统方面具有广阔前景.     

含有Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的自旋1键交替海森伯模型的量子相变和拓扑序标度

利用张量网络表示的无限矩阵乘积态算法研究了含有Dzyaloshinskii-Moriya (DM)相互作用的键交替海森伯模型的量子相变和临界标度行为.基于矩阵乘积态的基态波函数计算了系统的量子纠缠熵及非局域拓扑序.数据表明,随着键交替强度变化,系统从拓扑有序的Haldane相转变为局域有序的二聚化相.同时DM相互作用抑制了系统的二聚化,并最终打破系统的完全二聚化.另外,通过对相变点附近二聚化序的一阶导数和长程弦序的数值拟合,分别得到了此模型相变的特征临界指数a和b的值.结果表明,随着DM相互作用强度的增强, a逐渐减小,同时b逐渐增大. DM相互作用强度影响着此模型的临界行为.针对此模型的临界性质的研究,揭示了量子自旋相互作用的彼此竞争机制,对今后研究含有DM相互作用的自旋多体系统中拓扑量子相变临界行为提供一定的借鉴与参考.     

量子相变

量子相变是一种发生在绝对零度,由量子涨落而非热涨落导致的相变现象,满足著名的海森堡不确定关系。通过零温量子临界点的研究,可获知物质系统更广泛范围的行为,包括稀土磁性绝缘体,高温超导体和二维电子气体等。     

激光驱动下腔与玻色-爱因斯坦凝聚中的量子相变

Dicke模型中的量子相变在三十多年前已被预言,该模型描述的是N个二能级原子与单模腔场集体耦合的系统.在标准Dicke模型的基础上加入原子光的非线性相互作用和含时外场驱动,使用含时幺正变换和Holstein-Primafoff变换方法从理论上推导出基态能量表达式.并且给出了丰富的相图,而且这些性质最近已有文献从实验上验证.本文主要呈现了非线性相互作用和外场驱动对量子相变的影响.     

量子相变与量子纠缠

作为量子体系一种内在的非局域性关联,量子纠缠已经成为一个可利用的重要资源并广泛应用于许多领域.强关联体系中的量子相变,作为凝聚态理论中的一个重要现象,也一直是人们研究的热点.本文介绍了量子纠缠的定义,纠缠的判据,以及纠缠的度量.接着,通过一个具体模型对如何利用量子纠缠描述量子相变进行讨论和分析.研究发现,在强关联体系量子相变中量子纠缠扮演着非常重要的角色.     

双模Dicke模型的一级量子相变

多光场与多粒子相互作用的多模Dicke模型不但存在着更为丰富的量子相,而且在量子信息中有着重要的应用.本文运用Holstein-Primakoff变换和玻色扩展法研究双模Dicke模型的基态特性并从理论上发现了一个新的一级量子相变.该相变在实验上可以通过测量平均光子数或原子布居数进行观察.     

通往量子自旋液体的新路径——Kitaev模型的材料实现

Kitaev模型是一种建立在二维六角蜂窝状格子上的有效自旋为1/2的量子自旋液体模型。该模型可严格求解,具有拓扑序,分数化激发产生马约拉纳费米子与Z₂规范场,提供了对拓扑物理学与非易失性存储技术研究的新思路。区别于三角晶格与笼目格等材料中由于几何阻挫导致的量子自旋液体态,Kitaev量子自旋液体的形成来源于自旋空间中各向异性的Kitaev相互作用。近年来,在真实材料体系中寻找这种相互作用成为了实现量子自旋液体的新途径。其中,具有六角蜂窝状结构的莫特绝缘体 α-RuCl₃被认为是众多候选材料中最具潜力的一种。文章将从实验角度出发,以α-RuCl₃为主要代表体系,介绍近年来在Kitaev量子自旋液体实验研究方面的重要进展,特别是以中子散射为主要手段对材料中与Kitaev量子自旋液体态相关的自旋激发态研究的结果。     

Topological Phase Transition and Phase Diagrams in a Two-Leg Kitaev Ladder System

A scheme to investigate the topological properties in a two-leg Kitaev ladder system composed of two Kitaev chains is proposed. In the case of two identical Kitaev chains, it is found that the interchain hopping amplitude plays a significant role in the separation of the energy spectrum and in inducing a topologically nontrivial phase, while the interchain pairing strength only affects the size of the energy gap. Moreover, another situation that the system consists of two non-identical Kitaev chains is also investigated and the corresponding phase diagram is calculated. It is found that two pairs of degenerate nonzero edge modes will, respectively, appear in the upper and lower energy gaps when the interchain hopping amplitude or the interchain pairing strength is large enough. Furthermore, it is pointed out that the winding number is quantitatively equivalent to half of the number of zero energy edge modes in our system.     

Realizing Majorana fermion modes in the Kitaev model

We study the possibility to realize a Majorana zero mode that is robust and may be easily manipulated for braiding in quantum computing in the ground state of the Kitaev model in this work. To achieve this we first apply a uniform [111] magnetic field to the gapless Kitaev model and turn the Kitaev model to an effective p+ip topological superconductor of spinons. We then study possible vortex binding in such system to a topologically trivial spot in the ground state. We consider two cases in the system: one is a vacancy and the other is a fully polarized spin. We show that in both cases, the system binds a vortex with the defect and a robust Majorana zero mode in the ground state at a weak uniform [111] magnetic field. The distribution and asymptotic behavior of these Majorana zero modes are studied. The Majorana zero modes in both cases decay exponentially in space, and are robust against local perturbations and other Majorana zero modes far away, which makes them promising candidates for braiding in topological quantum computing.     

The 1D Ising model and the topological phase of the Kitaev chain

It has been noted that the Kitaev chain, a p-wave superconductor with nearest-neighbor pairing amplitude equal to the hopping term Δ=t$\Delta =t$, and chemical potential μ=0$\mu =0$, can be mapped into a nearest neighbor Ising model via a Jordan–Wigner transformation. Starting from the explicit eigenstates of the open Kitaev chain in terms of the original fermion operators, we elaborate that despite this formal equivalence the models are physically inequivalent, and show how the topological phase in the Kitaev chain maps into conventional order in the Ising model.     

保真率与量子相变

量子相变是量子多体理论中的一个重要概念,保真度则是量子信息学的重要概念.文章简单介绍了一个量子系统的基态对系统参量的响应,即保真率,在量子相变中的行为.作为理解量子相变的一个新的视角,保真度方法的优势在于它是一个纯粹的几何学量,所以在研究相变过程中不需要考虑任何预设的序参量.文章用通俗的语言介绍了基态保真度、保真率、量子绝热维度以及它们的物理意义.为便于理解,文章以Lipkin-Meshkov-Glick模型与Kitaev蜂巢模型为例,对保真率在这两个模型中的性质做了简单介绍.     

具有Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的XY模型的量子相干性

研究了具有Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用的一维横场XY自旋链的量子相变和量子相干性.采用约旦-维格纳变换严格求解了哈密顿量,并描绘了体系的关联函数和相图,相图包含反铁磁相、顺磁相和螺旋相.利用相对熵和Jensen-Shannon熵讨论了XY模型的量子相干性.研究发现,相对熵与Jensen-Shannon熵所表现的行为都可以很好地表征该模型的量子相变.非螺旋相中量子相干性不依赖DM相互作用,而在螺旋相DM相互作用对量子相干性有显著影响.此外,指出了在带有DM相互作用的这一类反射对称破缺体系中关联函数计算的常见问题.     

Topological phases of the two-leg Kitaev ladder

We study the phase diagram of the two-leg Kitaev model. Different topological phases can be characterized by either the number of Majorana modes for a deformed chain of the open ladder, or by a winding number related to the ‘h  -loop’ in the momentum space. By adding a three-spin interaction term to break the time-reversal symmetry, two originally different phases are glued together, so that the number of Majorana modes reduce to 0 or 1, namely, the topological invariant collapses to _Z2$Z_2$ from an integer Z. These observations are consistent with a recent general study [S. Tewari, J.D. Sau, arXiv:1111.6592v2].