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凝聚態(tài)場論常用公式(11):QHE與Chern數(shù)(弱化版本)

2023-03-29 13:56 作者:打電動的阿偉嘻嘻嘻  | 我要投稿

由弱化的線性響應(yīng)理論可得

%5Csigma_%7Bxy%7D(%5Comega)%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Chbar%5Comega%7D%5Cint%5E%7B%5Cinfty%7D_%7B0%7Ddt%5C%20e%5E%7Bi%5Comega%20t%7D%5Clangle0%7C%5BJ_y(0)%2CJ_x(t)%5D%7C0%5Crangle%2C

插入%7Cn%5Crangle態(tài)對時間積分(積分用側(cè)極限定義防止發(fā)散)

%5Csigma_%7Bxy%7D%3D%5Cfrac%7Bi%7D%7B%5Comega%7D%5Csum_%7Bn%5Cne0%7D%5Cleft%5B%5Cfrac%7B%5Clangle0%7CJ_y%7Cn%5Crangle%5Clangle%20n%7CJ_x%7C0%5Crangle%7D%7B%5Chbar%20%5Comega%2BE_n-E_0%7D-%5Cfrac%7B%5Clangle0%7CJ_x%7Cn%5Crangle%5Clangle%20n%7CJ_y%7C0%5Crangle%7D%7B%5Chbar%5Comega%2BE_0-E_n%7D%5Cright%5D%2C

對分母展開%5Cfrac%7B1%7D%7B%5Chbar%5Comega%2BE_n-E_0%7D%3D%5Cfrac%7B1%7D%7BE_n-E_0%7D-%5Cfrac%7B%5Chbar%5Comega%7D%7B(E_n-E_0)%5E2%7D%2C

%5Csigma_%7Bxy%7D%3Di%5Chbar%5Csum_%7Bn%5Cne0%7D%5Cfrac%7B%5Clangle0%7CJ_x%7Cn%5Crangle%5Clangle%20n%7CJ_y%7C0%5Crangle-%5Clangle0%7CJ_y%7Cn%5Crangle%5Clangle%20n%7CJ_x%7C0%5Crangle%7D%7B(E_n-E_0)%5E2%7D%2C

此即Kubo-Greenwood公式的弱化版本.?樣品長寬為(L_x%2CL_y).

對于本征態(tài)考慮微擾?%5CDelta%20H%3D-%5Csum_%7Bi%3Dx%2Cy%7D%5Cfrac%7BJ_i%5CPhi_i%7D%7BL_i%7D%2C%5C%20%7C%5Cpsi_0%5Crangle%5E%7B%5Cprime%7D%3D%7C%5Cpsi_0%5Crangle%2B%5Csum_%7Bn%5Cne%5Cpsi_0%7D%5Cfrac%7B%5Clangle%20n%7C%5CDelta%20H%7C%5Cpsi_0%5Crangle%7D%7BE_n-E_0%7D%7Cn%5Crangle.

考慮絕熱近似?%7C%5Cfrac%7B%5Cpartial%20%5Cpsi_0%7D%7B%5Cpartial%20%5CPhi_i%7D%5Crangle%3D-%5Cfrac%7B1%7D%7BL_i%7D%5Csum_%7Bn%5Cne%5Cpsi_0%7D%5Cfrac%7B%5Clangle%20n%7CJ_i%7C%20%5Cpsi_0%5Crangle%7D%7BE_n-E_0%7D%7Cn%5Crangle.

代入Kubo公式可得(這里乘了一個面積)??%5Csigma_%7Bxy%7D%3Di%5Chbar%5B%5Cpartial_%7B%5CPhi_x%20%7D%5Clangle%5Cpsi_0%7C%5Cfrac%7B%5Cpartial%20%5Cpsi_0%7D%7B%5Cpartial%20%5CPhi_y%7D%5Crangle-%5Cpartial_%7B%5CPhi_y%7D%5Clangle%5Cpsi_0%7C%5Cfrac%7B%5Cpartial%20%5Cpsi_0%7D%7B%5Cpartial%20%5CPhi_x%7D%5Crangle%5D.

引入無量綱自變量以及Berry聯(lián)絡(luò),曲率

%5Ctheta_i%3D2%5Cpi%5Cfrac%7B%5CPhi_i%7D%7B%5CPhi_0%7D%5Cin%5B0%2C2%5Cpi)%2C%5C%20%5Cmathcal%7BA%7D_i(%5Ctheta)%3D-i%5Clangle%5Cpsi_0%7C%5Cpartial_%7B%5Ctheta_i%7D%7C%5Cpsi_0%5Crangle%2C%5C%20%5Cmathcal%7BF%7D_%7Bij%7D%3D%5Cpartial_%7B%5Ctheta_i%7D%5Cmathcal%7BA%7D_j-%5Cpartial_%7B%5Ctheta_j%7D%5Cmathcal%7BA%7D_i.

可以得到霍爾電導(dǎo)和第一陳數(shù)的關(guān)系:

%5Csigma_%7Bxy%7D%3D-%5Cfrac%7Be%5E2%7D%7B2%5Cpi%5Chbar%7DC%2C%5C%20C%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%5Cpi%7D%5Cint_%7BMBZ%7Dd%5E2%5Ctheta%20%5C%20%5Cmathcal%7BF_%7Bxy%7D%7D%5Cin%5Cmathbb%7BZ%7D.

整數(shù)霍爾電導(dǎo)是一個拓?fù)鋽?shù).

值得注意的是,本文的推導(dǎo)是個弱化版本.?正因為弱化了很多內(nèi)容,所以導(dǎo)致很多地方比較刻意,而且有不少概念缺失,比如:

(1):Kubo-Greenwood公式是格林函數(shù)的內(nèi)容,本文沒有證明,而是湊出一個弱化版本.

(2):Berry聯(lián)絡(luò)與曲率沒有給出解釋,正如TKNN當(dāng)時沒有認(rèn)識到這一層一樣.

(3):幾何與拓?fù)涞年P(guān)系沒有解釋,第一陳數(shù)為什么是整數(shù)沒有解釋.

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