Какова минимальная симметрия, необходимая спиновому гамильтониану для описания основного состояния спиновой жидкости?

Ограничимся случаем системы со спином 1/2. Как мы знаем, состояние спиновой жидкости (СР) — это основное состояние спинового гамильтониана решетки без спонтанно нарушенных симметрий (иногда оно может спонтанно нарушать симметрию обращения времени и называется киральной СР), где две существенные симметрии SL-состояние — это решеточная трансляционная и спин-вращательная симметрии.

Поскольку традиционно для описания состояния СР мы обычно используем спиновый гамильтониан с полным С U ( 2 ) спин-вращательная симметрия (например, модель Гейзенберга), и соответствующее SL-состояние, следовательно, также С U ( 2 ) симметричный, т. е. SL типа RVB. В то время как сотовая модель Китаева дает нам точное основное состояние СР с Вопрос 8 спин-вращательная симметрия , где Вопрос 8 является конечной подгруппой С U ( 2 ) , что говорит о том, что Китаев СЛ НЕ относится к типу РВБ.

Таким образом, мой вопрос таков: вообще говоря, какова минимальная спин-вращательная симметрия, необходимая для того, чтобы спиновый гамильтониан описывал основное состояние SL? Является Вопрос 8 сгруппировать минимальный? Большое спасибо.

[Моя мотивация для этого вопроса заключается в том, что для спинового гамильтониана без какой-либо спин-вращательной симметрии может ли он обладать основным состоянием SL? И означает ли существование SL-состояния с некоторой спин-вращательной симметрией возникновение эмерджентных симметрий ?]

Ответы (2)

Определение спиновой жидкости как спиновой системы «без спонтанно нарушенных симметрий» устарело и больше не используется, частично по описанной вами причине. Если вы возмущаете гамильтониан как спиновую жидкость, добавляя небольшие члены, которые нарушают все симметрии, то основное состояние по-прежнему будет спиновой жидкостью, даже если больше нет симметрий, которые могли бы быть нарушены. Более того, спиновая жидкость действительно может спонтанно нарушать симметрию; см. третий абзац http://arxiv.org/abs/1112.2241 .

Более современное определение спиновой жидкости — это спиновая система с «внутренним топологическим порядком». Это можно определить многими эквивалентными способами (по крайней мере, для системы с зазорами - случай без зазоров поднимает более тонкие вопросы): (а) невозможность преобразования в состояние продукта с помощью локальных унитарных операций, (б) ненулевая топологическая энтропия запутанности, (в) физика низких энергий, которая может быть описана топологической квантовой теорией поля, (г) возбуждения с анионной статистикой и т. д.

Спасибо за ваши комментарии. Одна из причин, по которой я задал этот вопрос, заключается в следующем: если состояние спиновой жидкости не имеет симметрии, то могут ли существовать локальные моменты? Я имею в виду, может ли состояние спиновой жидкости содержать магнитный порядок?
@KaiLi Если я правильно понимаю ваш вопрос, вы спрашиваете: «Если вы добавите термин, нарушающий симметрию SU (2), может ли основное состояние быть спиновой жидкостью с локальными магнитными моментами?» Ответ положительный: например, если вы применяете поле ЧАС Дж / 3 к ближайшему антиферромагнетику Кагомэ, вы получаете состояние с щелью, которое, вероятно, является Z 3 спиновая жидкость, в которой спины имеют магнитный момент, параллельный полю. См. Nature.com/ncomms/2013/130805/ncomms3287/full/ncomms3287.html .
@KaiLi В общем, система, которая имеет как (а) внутренний топологический порядок (то есть спиновую жидкость, если это спиновая система), так и (б) глобальную симметрию, называется системой с «топологическим порядком, обогащенным симметрией» (ищите эту фразу Чтобы получить больше информации). Если вы возьмете систему с порядком SET и добавите элементы, которые явно нарушают симметрию, то вы можете удалить порядок SET, сохранив при этом внутренний топологический порядок.

Ответ tparker абсолютно правильный, но стоит отметить, почему «старомодное» определение все еще было полезно. В соответствии с более многомерным расширением теоремы Либа-Шульца-Маттиса Гастингсом и другими, система с щелями с (а) трансляционной инвариантностью (б) нечетным числом моментов S = 1/2 на магнитную элементарную ячейку и (в) ненарушенная симметрия SO (3) должна быть спиновой жидкостью в том смысле, который он описал (любые). Таким образом, старое определение было достаточным, но не необходимым условием физики спиновой жидкости.

Один из способов перефразировать ваш вопрос: сколько симметрии требуется для того, чтобы теорема Либа-Шульца-Маттиса оставалась в силе? Например, Осикава и Гастингс показали, что можно сломать С О ( 3 ) U ( 1 ) (инвариантность вращения вокруг одной оси), и теорема остается в силе при нулевой намагниченности. Более поздняя работа показала, что вы можете сломаться С О ( 3 ) Z 2 × Z 2 , или вы даже сломаете С О ( 3 ) полностью, если вы сохраняете инвариантность относительно обращения времени. Эти два, вероятно, являются минимальными случаями в том смысле, в котором вы спрашиваете.