물리:요르단-위그너_변환_jordan-wigner_transformation

Differences

This shows you the differences between two versions of the page.

Link to this comparison view

Both sides previous revision Previous revision
Next revision
Previous revision
물리:요르단-위그너_변환_jordan-wigner_transformation [2024/09/08 16:31] minwoo물리:요르단-위그너_변환_jordan-wigner_transformation [2024/09/10 12:58] (current) minwoo
Line 249: Line 249:
 처음에 언급한 1차원 양자 스핀 모형인 '가로장이 걸려있는 XY 스핀 사슬 (XY spin chain in a transverse field)'에 요르단-위그너 변환을 적용해보도록 하자. 처음에 언급한 1차원 양자 스핀 모형인 '가로장이 걸려있는 XY 스핀 사슬 (XY spin chain in a transverse field)'에 요르단-위그너 변환을 적용해보도록 하자.
  
-우선, 기존의 Hamiltonian은 다음과 같다.+우선, 기존의 해밀토니안은 다음과 같다.
 $$ $$
 \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}).
Line 273: Line 273:
 $$ $$
 이를 적용하면, 이를 적용하면,
-$$+
 \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})\\ & \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})\\
Line 279: Line 279:
 &=\sum_{j=1}^N \left[J_x  (\hat{\sigma}_j^+ + \hat{\sigma}_j^-) (\hat{\sigma}_{j+1}^+ + \hat{\sigma}_{j+1}^-) - J_y (\hat{\sigma}_j^+ - \hat{\sigma}_j^-)(\hat{\sigma}_{j+1}^+ - \hat{\sigma}_{j+1}^-)\right]\\ &=\sum_{j=1}^N \left[J_x  (\hat{\sigma}_j^+ + \hat{\sigma}_j^-) (\hat{\sigma}_{j+1}^+ + \hat{\sigma}_{j+1}^-) - J_y (\hat{\sigma}_j^+ - \hat{\sigma}_j^-)(\hat{\sigma}_{j+1}^+ - \hat{\sigma}_{j+1}^-)\right]\\
  
-&=\sum_{j=1}^N \big[(J_x + J_y)\left(\hat{\sigma}_{j+1}^+\hat{\sigma}_j^-+\hat{\sigma}_{j+1}^-\hat{\sigma}_j^+\right) \\ +&=\sum_{j=1}^N \Big[(J_x + J_y)\left(\hat{\sigma}_j^-\hat{\sigma}_{j+1}^+ \hat{\sigma}_j^+ \hat{\sigma}_{j+1}^-\right) \\ 
-&\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 아래와 같이 적용해보자. 위의 식에 요르단-위그너 변환을 아래와 같이 적용해보자.
-$$ 
-\begin{align} 
-&\hat{\sigma}_{j+1}^+ \hat{\sigma}_j^- \\ 
-&= \hat{f}_{j+1}^\dagger e^{i\pi \sum_{l<j+1} n_l} \hat{f}_j  e^{-i\pi \sum_{l<j} n_l}.\\ 
-&= \hat{f}_{j+1}^\dagger e^{i\pi n_j}\hat{f}_j=\hat{f}_{j+1}^\dagger \hat{f}_j, 
  
-\\ +\begin{align} 
-\\ +& \hat{\sigma}_j^- \hat{\sigma}_{j+1}^+ \\ 
-&\hat{\sigma}_{j+1}^+ \hat{\sigma}_j^+ \\ +&=\hat{f}_j  e^{-i\pi \sum_{l<j} n_l} \hat{f}_{j+1}^\dagger e^{i\pi \sum_{l<j+1} n_l} .\\ 
-&= \hat{f}_{j+1}^\dagger e^{i\pi \sum_{l<j+1} n_l} \hat{f}_j^\dagger  e^{i\pi \sum_{l<j} n_l}.\\ +&\hat{f}_j \hat{f}_{j+1}^\dagger e^{i\pi n_j}= -\hat{f}_j\hat{f}_{j+1}^\dagger, \\  
-&= \hat{f}_{j+1}^\dagger e^{i\pi n_j}\hat{f}_j^\dagger=\hat{f}_{j+1}^\dagger \hat{f}_j^\dagger.+&\\ 
 +\hat{\sigma}_j^+ \hat{\sigma}_{j+1}^- \\ 
 +&=\hat{f}_j^\dagger  e^{i\pi \sum_{l<j} n_l} \hat{f}_{j+1}  e^{-i\pi \sum_{l<j+1} n_l} .\\ 
 +&\hat{f}_j^\dagger \hat{f}_{j+1}  e^{-i\pi n_j}= \hat{f}_j^\dagger \hat{f}_{j+1}, \\  
 +&\\ 
 +& \hat{\sigma}_j^+ \hat{\sigma}_{j+1}^+\\ 
 +& \hat{f}_j^\dagger e^{i\pi \sum_{l<j} n_l}\hat{f}_{j+1}^\dagger  e^{i\pi \sum_{l<j+1} n_l}.\\ 
 +&\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^- e^{-i\pi \sum_{l<j} n_l}\hat{f}_{j+1} e^{-i\pi \sum_{l<j+1} n_l}.\\ 
 +&= \hat{f}_{j}\hat{f}_{j+1} e^{-i\pi n_j} =-\hat{f}_{j} \hat{f}_{j+1}.
 \end{align} \end{align}
-$$+
 위의 두 번째 결과에서는 정수 $m$에 대해 $e^{2\pi i m}=1$을 사용했다. 위의 두 번째 결과에서는 정수 $m$에 대해 $e^{2\pi i m}=1$을 사용했다.
  
 $\\$ $\\$
-따라서, 변환된 Hamiltonian은 다음과 같다.+따라서, 해밀토니안은 다음과 같이 쓰여진다. 
  
-$$ 
 \begin{align} \begin{align}
 \hat{H}&=-\sum_{i=1}^N g_i (1-2\hat{f}_j^\dagger \hat{f}_j) \hat{H}&=-\sum_{i=1}^N g_i (1-2\hat{f}_j^\dagger \hat{f}_j)
  
--\sum_{j=1}^{N-1} (J_x + J_y)\left(\hat{f}_{j+1}^\dagger \hat{f}_j+\hat{f}_{j+1} \hat{f}_j^\dagger \right) \\ +-\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+1}^\dagger \hat{f}_j^\dagger+\hat{f}_{j+1}\hat{f}_j\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_{i=1}^N g_i (1-2\hat{f}_j^\dagger \hat{f}_j) 
 + 
 +-\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  \right) \\ 
 +& -\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)을사용함으로써 두 번째와 세 번째 항의 합은 $j=N$이 아닌 $j=N-1$이다.)+ 
 +(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 ==== ==== Majorana fermions ====
  
-위에서 얻은 해밀토니안을 마조라나 페르미온(Majorana fermions)인 $\hat{a}_{2j-1}=\hat{f}_j^\dagger + \hat{f}_j$과 $\hat{a}_{2j}=i(\hat{f}_j^\dagger - \hat{f}_j)$으로 다시 표현할 수 있다.+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\hbar \sum_{j=1}^N g_j(t)\hat{a}_{2j-1}\hat{a}_{2j} +\hat{H}(t) = i \sum_{j=1}^N g_j(t)\hat{a}_{2j-1}\hat{a}_{2j} 
-+i\hbar \sum_{j=1}^{N-1}(J_x \hat{a}_{2j}\hat{a}_{2j+1}++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}). -J_y \hat{a}_{2j-1}\hat{a}_{2j+2}).
 $$ $$
  
-이를 아래와 같이 풀이하여 확인해보자.+이를 아래와 같이 풀이하여 직접 확인해보자.
 $$ $$
-\hat{H}(t) = i\hbar \sum_{j=1}^N g_j(t)\{\hat{f}_j^\dagger + \hat{f}_j\}\{i(\hat{f}_j^\dagger - \hat{f}_j)\}\\ +\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\hbar \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}\}\\++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). -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, $\{\hat{f}_j, \hat{f}_j^\dagger \} = \delta_{ij} \to \hat{f}_j \hat{f}_j^\dagger =1-\hat{f}_j^\dagger \hat{f}_j$등의 anticommutation들을 사용하고, $\hat{f}_j\hat{f}_j$와 같이 임의의 state에 걸어줄 때 0을 주는 항들을 제거해주면 아래와 같다.
 +
 +$$
 +\\
 +\to\ 
 +\hat{H}(t) = - \sum_{j=1}^N g_j(t)\left( 1-2\hat{f}_{j}^\dagger \hat{f}_{j} \right)
 +\\
 +-\sum_{j=1}^{N-1} (J_x + J_y)\left(\hat{f}_j^\dagger \hat{f}_{j+1} + \hat{f}_{j+1}^\dagger\hat{f}_j  \right) \\
 + -\sum_{j=1}^{N-1} (J_x-J_y)\left(\hat{f}_j^\dagger \hat{f}_{j+1}^\dagger+\hat{f}_{j+1}\hat{f}_j\right).
 +$$
 +
 +즉, 앞서 본 Majorana fermion의 표현식이 실제로 원래의 식을 준다는 것을 확인하였다.
  
  
  • 물리/요르단-위그너_변환_jordan-wigner_transformation.1725780686.txt.gz
  • Last modified: 2024/09/08 16:31
  • by minwoo