'요르단-위그너 변환'이란 양자역학으로 기술되는 현상을 표현하는 스핀모형의 양자 스핀(quantum spin)을 페르미온(fermion)으로 변환하는 방법이다. 이를 통해 1차원 양자 사슬(quantum chain) 등을 정확하게 풀이할 수 있으며, 기존의 해밀토니안(Hamiltonian)으로는 알아내기 어려운 사실을 이해할 수 있다. $ \\ $ 이번 게시글에서는, 요르단-위그너 변환을 공부하기에 앞서 '페르미온'과 '보존'이 갖는 차이를 관계식을 통하여 정리해보고 우리가 학습한 요르단-위그너 변환법을 '가로장이 걸려있는 XY 스핀 사슬 (XY spin chain in a transverse field)'에 적용해보도록 하자. $ \\ $ ====== 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. 이때, 해당 상태는 진공 상태(vacuum state)인 $|0\rangle$에 생성 연산자(creation operator)들을 걸어줌으로써 얻을 수 있을 것이므로 아래와 같이 표현 가능하다. $$ \hat{a}_{p_1}^\dagger |0\rangle = |10\rangle, \ \hat{a}^\dagger |0\rangle = |01\rangle. $$ 여기에 또 다른 입자를, 점유되어 있지 않은 곳에 하나 더 생성해보자: $$ \hat{a}_{p2}^\dagger \hat{a}_{p1}^\dagger | 0\rangle \propto |11\rangle, \ \hat{a}_{p1}^\dagger \hat{a}_{p2}^\dagger|0 \rangle \propto |11\rangle. $$ 위에서 '비례' 기호($\propto$)는 비례 관계에 대응되는 상수를 아직 정할 수 없기 때문에 표기된 것이다. 위의 과정을 통해 아래의 관계식을 이해할 수 있다: $$ \hat{a}_{p1}^\dagger \hat{a}_{p2}^\dagger = \lambda \hat{a}_{p2}^\dagger \hat{a}_{p1}^\dagger. $$ 위에서 $\lambda$는 상대적인 비례 상수이다. 이때 우리는 $\lambda = \pm 1$인 경우를 고려하자. ==== $\lambda = 1$ ==== 우선 $\lambda = 1$인 경우는 '보존'에 해당하며, 앞서 우리가 얻은 관계식에 $\lambda$를 대입하면 다음과 같다. $$ \hat{a}_{p1}^\dagger \hat{a}_{p2}^\dagger = \hat{a}_{p2}^\dagger \hat{a}_{p1}^\dagger. $$ 여기에서 각 아래 첨자를 $i$ 및 $j$로서 일반화된 상태에 대해서 표현하고, 항들을 재배열하면 다음과 같은 commutation relation을 얻을 수 있다. $$[\hat{a}_i^\dagger, \hat{a}_j^\dagger ] = \hat{a}_i^\dagger \hat{a}_j^\dagger - \hat{a}_j^\dagger \hat{a}_i^\dagger =0. $$ 즉, 이 경우 서로 다른 입자 상태에 대한 생성 연산자는 교환 가능(commute)함을 의미한다. 이와 유사하게 소멸 연산자(annihilation operator)에 대해서도 아래와 같은 관계식을 얻을 수 있다. $$ [\hat{a}_i, \hat{a}_j ] =0. $$ ==== $\lambda = -1$ ==== 우선 $\lambda = -1$인 경우는 '페르미온'에 해당한다. 보존의 경우에 사용했던 연산자 표기($\hat{a}^\dagger, \hat{a}$)와 구별하기 위해 $\hat{f}^\dagger, \hat{f}$와 같이 표기하여 다음과 같은 관계식을 확인하자: $$ \left\{ \hat{f}_i^\dagger, \hat{f}_j^\dagger\right\} \equiv \hat{f}_i^\dagger \hat{f}_j^\dagger+\hat{f}_j^\dagger \hat{f}_i^\dagger =0. $$ 위의 식을 통해서 우리는 페르미온 연산자는 서로 'anticommute'함을 알 수 있다. 즉, 입자의 순서를 바꾸게 된다면 음의 부호$(-)$를 붙여준다. $( \because \hat{f}^\dagger_i \hat{f}^\dagger_j = -\hat{f}^\dagger_j \hat{f}^\dagger_i).$ 페르미온은 '파울리 배타원리 (Pauli exclusion principle)'을 따르는데, 이를 위의 식에 $i=j$를 대입하여 확인해볼 수 있다: $$ \hat{f}^\dagger_i \hat{f}^\dagger_i + \hat{f}^\dagger_i\hat{f}^\dagger_i =0\\ \\ \therefore \hat{f}^\dagger_i\hat{f}^\dagger_i=0. $$ 즉, 동일한 상태에 두 개의 페르미온을 두려고 하는 것은 (완전하게 소멸되므로) 불가능함을 확인할 수 있다. ====== 요르단-위그너 변환(Jordan-Wigner transformation) ====== ==== 변환을 사용하는 이유 ==== 양자역학으로 기술되는 현상을 다루는 통계역학 모형은 '양자 스핀(quantum spin)'이 포함된 해밀토니안(Hamiltonian)으로 기술되곤 한다. $ \\ $ 다체계 문제(many-body problem)에서는 이러한 양자 스핀은 다루기가 상당히 까다로운데, 그 한 가지 이유는 각각 보존, 페르미온이 만족하는 관계식인 commutation, anticommuatation을 일반적으로 만족하지 않기 때문이다. 따라서, 기존의 모형을 원활하게 풀이하기 위해서는 새로운 방법이 필요하다. ==== '양자 스핀'에서 '페르미온'으로 ==== 1차원에서는, 양자 스핀이 페르미온과 유사한 방식으로 동작하며, 그와 관련하여 Jordan과 Wigner가 발견한 방법은 다음과 같은 내용에서 시작된다. 각 스핀(signle spin)이 위(up)와 아래(down)를 가리키는 상태는, 각각 페르미온 입자가 점유된(occupied) 상태와 점유되지 않은(empty) 상태로 해석될 수 있다. 이는 아래와 같은 mapping을 가능하게 한다. $$ |\uparrow \rangle \equiv \hat{f}^\dagger | 0\rangle , \quad |\downarrow \rangle \equiv 0\rangle. $$ (이번 게시글에서는 $\hbar =1 $로 설정하자.) 이때, 스핀을 올리는(spin-raising) 연산자와 스핀을 내리는(spin-lowering) 연산자를 다음과 같은 명시적인 표현법으로 나타낼 수 있겠다. $$ S^+ =\hat{f}^\dagger= \begin{bmatrix} 0 & 1 \\ 0 & 0 \end{bmatrix} \\ \\ S^- =\hat{f}= \begin{bmatrix} 0 & 0 \\ 1 & 0 \end{bmatrix} $$ 또한, 스핀 연산자의 $z$방향 성분은 다음과 같이 작성될 수 있음을 행렬 연산으로 확인할 수 있다. $$ S_z = \frac{1}{2}\Big[|\uparrow \rangle \langle \uparrow |-|\downarrow \rangle \langle \downarrow |\Big] \equiv \hat{f}^\dagger \hat{f} - \frac{1}{2}. $$ 가로 방향 스핀 연산자(transverses spin operator)들은 다음과 같이 표현된다. $$ S_x = \frac{1}{2}(S^+ + S^-) = \frac{1}{2} (\hat{f}^\dagger + \hat{f})\\ S_y = \frac{1}{2i}(S^+ - S^-) = \frac{1}{2i} (\hat{f}^\dagger - \hat{f}). $$ 이때, 아래의 commutation relation을 행렬 표기법을 통하여 간단히 확인해볼 수 있다. $$ [S_a, S_b] = i\epsilon_{abc}S_c. $$ 따라서 스핀 연산자는 서로 교환이 가능하지 않다. $\\$ 다만 여기에서 스핀 연산자가 갖는 특이한 부분이 있으며 그는 다음과 같이 anticommutation relation은 만족 된다는 것이다. $$ \{S_a, S_b\}=\frac{1}{4}\{\sigma_a,\sigma_b\} = \frac{1}{2}\delta_{ab}. $$ 위에서 $\sigma_i$는 '파울리 스핀 연산자'로서, 행렬 표기를 통해 아래와 같이 정의된다. $$ \sigma_x=\begin{pmatrix} 0 & 1\\ 1 & 0 \end{pmatrix}, \ \sigma_y=\begin{pmatrix} 0 & -i\\ i & 0 \end{pmatrix}, \ \sigma_z =\begin{pmatrix} 1 & 0\\ 0 & -1 \end{pmatrix} \ . $$ $$ \sigma_+=\begin{pmatrix} 0 & 1\\ 0 & 0 \end{pmatrix}, \ \sigma_-=\begin{pmatrix} 0 & 0\\ 1 & 0 \end{pmatrix}\ . $$ $\\$ 이러한 anticommuation relation은 (앞서 살펴보았듯이) 페르미온이 갖는 성질이므로, 양자 스핀을 페르미온으로 변환하는 과정이 이미 적절한 것처럼 보인다. $\\$ 다만, 스핀이 한 개가 아닌 여러 개의 스핀으로 구성되어 있다면 이야기가 달라진다. 독립적인 스핀 연산자는 서로 commute한 점과 다르게, 독립적인 페르미온은 서로 anticommute하기 때문이다: 앞서 본 것과 같이 $S_j^+ =\hat{f}_j^\dagger,\ S_j^- =\hat{f}_j$의 변환을 사용한다면, 이러한 성질을 반영하지 않게 된다. $\\$ 이에 대하여 Jordan과 Wigner가 고안한 방법은, 기존의 변환 방법을 아래와 같이 수정하는 것이다. $$S_j^+ = \hat{f}_j^\dagger e^{i\phi_j},\\ \\ \phi_j \equiv \pi \sum_{l