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,atv,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! 参考文献 [1] Ian Affleck, Tom Kennedy, Elliott H. Lieb, and Hal Tasaki. Rigorous results on valence-bond ground states in antiferromagnets. Phys. Rev. Lett., 59:799, 1987. [2] Xie Chen, Zheng-Cheng Gu, Zheng-Xin Liu, and Xiao-Gang Wen. Symmetry protected topological orders in interacting bosonic systems. Science, 338:1604, 2012. [3] T Dagotto and T.M. Rice. Surprises on the way from 1d to 2d quantum magnets: the novel ladder materials. Science, 271:618–623, 1996. [4] Marcel den Nijs and Koos Rommelse. Preroughening transitions in crystal surfaces and valence-bond phases in quantum spin chains. Phys. Rev. B, 40:4709, 1989. [5] Zheng-Cheng Gu and Xiao-Gang Wen. Tensor-entanglement-filtering renormalization approach and symmetry-protected topological order. Phys. Rev. B, 80:155131, 2009. [6] F.D.M. Haldane. Continuum dynamics of the 1-d heisenberg antiferromagnet: Identification with the o(3) nonlinear sigma model. Physics Letters A, 93:464–468, 1983a. (责任编辑:本港台直播) |