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물리:요르단-위그너_변환_jordan-wigner_transformation [2024/09/01 11:20] – minwoo | 물리:요르단-위그너_변환_jordan-wigner_transformation [2024/09/10 12:58] (current) – minwoo | ||
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$ \\ $ | $ \\ $ | ||
- | ====== 페르미온(\hat{f}ermion)과 보존(Boson) ====== | + | ====== 페르미온(Fermion)과 보존(Boson) ====== |
두 운동량 $p_1$과 $p_2$를 가지며, 점유입자수(occupation number) 표현식이 $|n_1 n_2 \rangle$와 같이 표현되는 계를 고려하자. | 두 운동량 $p_1$과 $p_2$를 가지며, 점유입자수(occupation number) 표현식이 $|n_1 n_2 \rangle$와 같이 표현되는 계를 고려하자. | ||
Line 249: | Line 249: | ||
처음에 언급한 1차원 양자 스핀 모형인 ' | 처음에 언급한 1차원 양자 스핀 모형인 ' | ||
- | 우선, 기존의 | + | 우선, 기존의 |
$$ | $$ | ||
\hat{H} = \sum_{i=1}^N g_i \hat{\sigma}^z_i - \sum_{i=1}^N (J_x \hat{\sigma}^x_{i} \hat{\sigma}^x_{i+1} + J_y \hat{\sigma}^y_{i}\hat{\sigma}^y_{i+1}). | \hat{H} = \sum_{i=1}^N g_i \hat{\sigma}^z_i - \sum_{i=1}^N (J_x \hat{\sigma}^x_{i} \hat{\sigma}^x_{i+1} + J_y \hat{\sigma}^y_{i}\hat{\sigma}^y_{i+1}). | ||
$$ | $$ | ||
- | 각 $\hat{\sigma}$에 대해서는 아래와 같은 변환을 적용하면 되겠다. | + | 각 $\hat{\sigma}$에 대해서는 아래와 같은 |
$$ | $$ | ||
\hat{\sigma}^z = 2\hat{f}_j^\dagger \hat{f}_j - 1\\ | \hat{\sigma}^z = 2\hat{f}_j^\dagger \hat{f}_j - 1\\ | ||
\\ | \\ | ||
- | \hat{\sigma}^+ = 2\hat{f}_j^\dagger e^{i\pi \sum_{l< | + | \hat{\sigma}^+ = \hat{f}_j^\dagger e^{i\pi \sum_{l< |
\\ | \\ | ||
- | \hat{\sigma}^- = 2\hat{f}_j | + | \hat{\sigma}^- = \hat{f}_j |
$$ | $$ | ||
따라서 $\hat{H}$의 첫 항은 아래와 같다. | 따라서 $\hat{H}$의 첫 항은 아래와 같다. | ||
Line 279: | Line 279: | ||
& | & | ||
- | & | + | & |
- | &\qquad \quad +(J_x-J_y)(\hat{\sigma}_{j+1}^+\hat{\sigma}_j^+ +\hat{\sigma}_{j+1}^-\hat{\sigma}_j^-)\big].\\ | + | &\qquad \quad +(J_x-J_y)\left(\hat{\sigma}_j^+\hat{\sigma}_{j+1}^+ +\hat{\sigma}_j^-\hat{\sigma}_{j+1}^-\right)\Big].\\ |
\end{align} | \end{align} | ||
- | 위의 식에 요르단-위그너 변환을 적용해주면 | + | 위의 식에 요르단-위그너 변환을 |
\begin{align} | \begin{align} | ||
- | & \sum_{i=1}^N (J_x \hat{\sigma}^x_{i} \hat{\sigma}^x_{i+1} + J_y \hat{\sigma}^y_{i}\hat{\sigma}^y_{i+1})\\ | + | & \hat{\sigma}_j^- \hat{\sigma}_{j+1}^+ \\ |
- | & | + | &=\hat{f}_j e^{-i\pi \sum_{l< |
- | &\qquad \quad +(J_x-J_y)(\hat{\sigma}_{j+1}^+\hat{\sigma}_j^+ +\hat{\sigma}_{j+1}^-\hat{\sigma}_j^-)\big].\\ | + | & |
+ | &\\ | ||
+ | & \hat{\sigma}_j^+ \hat{\sigma}_{j+1}^- \\ | ||
+ | &=\hat{f}_j^\dagger | ||
+ | & | ||
+ | &\\ | ||
+ | & \hat{\sigma}_j^+ \hat{\sigma}_{j+1}^+\\ | ||
+ | & | ||
+ | &= \hat{f}_{j}^\dagger \hat{f}_{j+1}^\dagger e^{i\pi n_j} =\hat{f}_{j}^\dagger \hat{f}_{j+1}^\dagger. \\ | ||
+ | &\\ | ||
+ | & \hat{\sigma}_j^- \hat{\sigma}_{j+1}^-\\ | ||
+ | & | ||
+ | &= \hat{f}_{j}\hat{f}_{j+1} e^{-i\pi n_j} =-\hat{f}_{j} \hat{f}_{j+1}. | ||
+ | \end{align} | ||
+ | 위의 두 번째 결과에서는 정수 $m$에 대해 $e^{2\pi i m}=1$을 사용했다. | ||
+ | |||
+ | $\\$ | ||
+ | 따라서, 해밀토니안은 다음과 같이 쓰여진다. | ||
+ | |||
+ | |||
+ | \begin{align} | ||
+ | \hat{H}& | ||
+ | |||
+ | -\sum_{j=1}^{N-1} (J_x + J_y)\left(-\hat{f}_j\hat{f}_{j+1}^\dagger + \hat{f}_j^\dagger \hat{f}_{j+1} \right) \\ | ||
+ | & -\sum_{j=1}^{N-1} (J_x-J_y)\left(\hat{f}_j^\dagger \hat{f}_{j+1}^\dagger-\hat{f}_j\hat{f}_{j+1}\right).\\ \\ | ||
+ | |||
+ | & | ||
+ | |||
+ | -\sum_{j=1}^{N-1} (J_x + J_y)\left(\hat{f}_j^\dagger \hat{f}_{j+1} + \hat{f}_{j+1}^\dagger\hat{f}_j | ||
+ | & -\sum_{j=1}^{N-1} (J_x-J_y)\left(\hat{f}_j^\dagger \hat{f}_{j+1}^\dagger+\hat{f}_{j+1}\hat{f}_j\right). | ||
\end{align} | \end{align} | ||
+ | 위에서 마지막 식에 도달할 때는 anticommutation relation을 사용하였다. | ||
+ | |||
+ | (편의상, 주기적 경계 조건(periodic boundary condtiion)이 아닌 열린 경계 조건(open boudnary condition)을 사용함으로써 두 번째와 세 번째 항의 합은 $j=N$이 아닌 $j=N-1$이다.) | ||
+ | |||
+ | $\\$ | ||
+ | ==== Majorana fermions ==== | ||
+ | |||
+ | 마조라나 페르미온(Majorana fermion)은 입자와 반입자가 같은 페르미온이다. | ||
+ | |||
+ | 위에서 얻은 해밀토니안을 마조라나 페르미온인 $\hat{a}_{2j-1}=\hat{f}_j^\dagger + \hat{f}_j$과 $\hat{a}_{2j}=i(\hat{f}_j^\dagger - \hat{f}_j)$으로 다시 표현할 수 있다. | ||
+ | $$ | ||
+ | \hat{H}(t) = i \sum_{j=1}^N g_j(t)\hat{a}_{2j-1}\hat{a}_{2j} | ||
+ | +i\sum_{j=1}^{N-1}(J_x \hat{a}_{2j}\hat{a}_{2j+1} | ||
+ | -J_y \hat{a}_{2j-1}\hat{a}_{2j+2}). | ||
+ | $$ | ||
+ | |||
+ | 이를 아래와 같이 풀이하여 직접 확인해보자. | ||
+ | $$ | ||
+ | \hat{H}(t) = i \sum_{j=1}^N g_j(t)\{\hat{f}_j^\dagger + \hat{f}_j\}\{i(\hat{f}_j^\dagger - \hat{f}_j)\}\\ | ||
+ | +i \sum_{j=1}^{N-1}\Big(J_x \{i(\hat{f}_j^\dagger - \hat{f}_j)\}\{\hat{f}_{j+1}^\dagger + \hat{f}_{j+1}\}\\ | ||
+ | -J_y \{\hat{f}_j^\dagger + \hat{f}_j\}\{i(\hat{f}_{j+1}^\dagger - \hat{f}_{j+1})\}\Big). | ||
+ | $$ | ||
+ | $\\$ | ||
+ | |||
+ | $$ | ||
+ | \\ | ||
+ | \to\ | ||
+ | \hat{H}(t) = - \sum_{j=1}^N g_j(t)\Big[\hat{f}_{j}^\dagger \hat{f}_{j}^\dagger -\hat{f}_{j}^\dagger \hat{f}_{j} + \hat{f}_{j} \hat{f}_{j}^\dagger-\hat{f}_{j}\hat{f}_{j} \Big] | ||
+ | \\ | ||
+ | - \sum_{j=1}^{N-1}\Big[ | ||
+ | J_x\{\hat{f}_{j}^\dagger \hat{f}_{j+1}^\dagger + \hat{f}_{j}^\dagger \hat{f}_{j+1} - \hat{f}_{j}\hat{f}_{j+1}^\dagger - \hat{f}_{j}\hat{f}_{j+1} \}\\ | ||
+ | -J_y \{\hat{f}_{j}^\dagger \hat{f}_{j+1}^\dagger - \hat{f}_{j}^\dagger \hat{f}_{j+1} + \hat{f}_{j}\hat{f}_{j+1}^\dagger - \hat{f}_{j}\hat{f}_{j+1}\} \Big]. | ||
+ | $$ | ||
+ | $\\$ | ||
+ | |||
+ | 이때, $\{\hat{f}_j, | ||
+ | |||
+ | $$ | ||
+ | \\ | ||
+ | \to\ | ||
+ | \hat{H}(t) = - \sum_{j=1}^N g_j(t)\left( 1-2\hat{f}_{j}^\dagger \hat{f}_{j} \right) | ||
+ | \\ | ||
+ | -\sum_{j=1}^{N-1} (J_x + J_y)\left(\hat{f}_j^\dagger \hat{f}_{j+1} + \hat{f}_{j+1}^\dagger\hat{f}_j | ||
+ | | ||
+ | $$ | ||
+ | 즉, 앞서 본 Majorana fermion의 표현식이 실제로 원래의 식을 준다는 것을 확인하였다. | ||
Line 298: | Line 373: | ||
* Piers Coleman, Introduction to Many-Body Physics, 2015. | * Piers Coleman, Introduction to Many-Body Physics, 2015. | ||
- | * Tom Lancaster and Stephen J. Blundell, Quantum | + | * Tom Lancaster and Stephen J. Blundell, Quantum |
- | * V. M. Bastidas, Quantum | + | * V. M. Bastidas, Quantum |