海森堡模型的谱,到底有多靠谱

作者: 孟子杨

来源: 中科院物理所

发布日期: 2018-01-03 09:52:00

本文讨论了凝聚态物理学中量子多体问题的动力学性质计算的困难,特别是海森堡模型的自旋激发谱。文章介绍了中科院物理所的研究团队如何通过结合量子蒙特卡洛和随机解析延拓的计算方法,得到了海森堡模型的完整能谱,并与实验结果进行了对比,揭示了模型中分数化自旋子激发的存在。

靠谱,还是不靠谱,这是一个值得思考的问题。这个问题不仅关乎哈姆雷特对于人生悖论的追问,其实在凝聚态物理学量子多体问题的动力学性质计算中,也是有一个让多少仁人志士扼腕叹息的,带有希腊悲剧意味的、形而上的命题。所谓动力学性质,主要是指谱学行为,如关联电子系统中的准粒子能谱,如量子磁学系统中的自旋波磁振子能谱。

这类能量、动量依赖的谱函数,可以告诉人们量子多体系统的诸多本质信息,而且与现代凝聚态物理学的实验手段直接相关。比如角分辨光电子谱技术测量的就是固体材料的电子结构(即准粒子能谱),而中子散射技术测量的,就是量子磁学材料中的自旋波磁振子能谱。从准粒子谱中,可以看到费米面的形状,可以看到费米面上准粒子权重的分布,比如高温超导体中的费米弧,还有拓扑绝缘体、半金属中的狄拉克锥。

从自旋波磁振子谱中可以看到系统的自旋排布,更可以看到自旋波磁振子的色散关系,从而确定自旋交换相互作用 J 的大小。再比如目前人们正在寻找的量子自旋液体材料中的连续谱和连续谱背后所蕴涵的分数化自旋子元激发,这些谱学行为是寻找与确定拓扑序这种超越了朗道对称性破缺框架的物质形态的直接证据。可见,谱是如此重要,谱学的结果一定要靠谱。

但是,上面所说的,希腊悲剧意味的命题的意思就是,对于凝聚态量子多体问题的动力学性质的严格计算,从理论上讲相当困难。量子多体问题的动力学性质牵扯到多体系统的时间演化问题,对于具有指数多自由度的强关联系统,其静力学性质,如能量、序参量还有种种关联函数已经很难准确计算,而动力学性质的计算,即准确计算相互作用的指数多的自由度随着时间的演化,几近不可能完成的任务。

这好比希腊悲剧中的英雄人物,任你有高贵的性格、一身的本事,命运总是无法抗拒,一如俄狄浦斯,一如安提戈涅。在个别问题上,我们有严格可解的模型,但主要集中在一维量子系统。对于二维或者更高维的量子多体系统,解析的方法只能提供微扰论意义下的近似,比如量子磁学系统中的自旋波理论和它的高阶修正,真正严格的计算,还是需要发展数值计算方法。

到目前为止,许多看似基本的问题,比如反铁磁海森堡模型的自旋激发谱,人们还没有得到全局性的认识。目前领域的前沿,就是逐步做到准确计算量子多体系统基本模型的动力学性质,然后和实验结果进行比对,验证计算结果是否靠谱。

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