Субир Сачдев - Subir Sachdev

Субир Сачдев
Родился 2 декабря 1961 г.
Нью-Дели
Альма-матер Массачусетский технологический институт (бакалавр),
Гарвардский университет (доктор философии)
Известен Теории критических и топологических состояний квантовой материи;
SYK-модель неферми-жидкостей и квантовых черных дыр
Награды
Научная карьера
Поля Теория конденсированного состояния
Тезис Разочарование и порядок в быстро охлажденных металлах  (1985)
Докторант ДР Нельсон
Веб-сайт qpt .physics .harvard .edu / cv .html

Subir Sachdev является Херчел Смит профессор из физики в Гарвардском университете , специализирующийся в конденсированной материи . Он был избран членом Национальной академии наук США в 2014 году и получил премию Ларса Онсагера от Американского физического общества и медаль Дирака от МЦТФ в 2018 году. С 2017 года он был соредактором Annual Review of Condensed Matter Physics. -2019.

Исследование Сачдева описывает связь между физическими свойствами современных квантовых материалов и природой квантовой запутанности в волновой функции многих частиц . Сачдев внес значительный вклад в описание разнообразных запутанных состояний квантовой материи. К ним относятся состояния с топологическим порядком , с энергетической щелью для возбуждений и без нее, а также критические состояния без квазичастичных возбуждений. Многие из этих вкладов были связаны с экспериментами, особенно с богатыми фазовыми диаграммами высокотемпературных сверхпроводников .

Странные металлы и черные дыры

Экстремальные примеры сложной квантовой запутанности возникают в металлических состояниях материи без квазичастичных возбуждений, часто называемых странными металлами . Примечательно, что существует тесная связь между квантовой физикой странных металлов, обнаруженных в современных материалах (которые можно изучать в настольных экспериментах), и квантовой запутанностью вблизи черных дыр в астрофизике.

Эта связь наиболее ясно видна, если сначала более внимательно подумать об определяющей характеристике странного металла: отсутствии квазичастиц. На практике, учитывая состояние квантовой материи, трудно полностью исключить существование квазичастиц: хотя можно подтвердить, что определенные возмущения не создают одиночных квазичастичных возбуждений, почти невозможно исключить нелокальный оператор, который мог бы создать экзотическую квазичастицу, в которой лежащие в основе электроны не локально запутаны. Вместо этого Сачдев утверждал, что лучше изучить, насколько быстро система теряет квантовую фазовую когерентность или достигает локального теплового равновесия в ответ на общие внешние возмущения. Если бы квазичастицы существовали, расфазировка заняла бы много времени, в течение которого возбужденные квазичастицы сталкиваются друг с другом. Напротив, состояния без квазичастиц достигают локального теплового равновесия в кратчайшие сроки, ограниченные снизу величиной порядка ( постоянная Планка ) / (( постоянная Больцмана ) x ( абсолютная температура )). Сачдев предложил решаемую модель странного металла (вариант которой теперь называется моделью Сачдева-Е-Китаева (SYK)), которая, как было показано, превысила такой предел времени достижения квантового хаоса .

Теперь мы можем установить связь с квантовой теорией черных дыр: в общем, черные дыры также термализуются и достигают квантового хаоса за время порядка ( постоянная Планка ) / (( постоянная Больцмана ) x ( абсолютная температура )), где абсолютная Температура - это температура Хокинга черной дыры . И это сходство с квантовой материей без квазичастиц не является совпадением: для моделей SYK Сачдев утверждал, что странный металл имеет голографическое двойное описание в терминах квантовой теории черных дыр в искривленном пространстве-времени с одним пространственным измерением.

Эта связь и другие связанные с этим работы Сачдева и его сотрудников привели к ценным открытиям свойств электронной квантовой материи и природы излучения Хокинга от черных дыр. Решаемые модели странных металлов, полученные из гравитационного картирования, вдохновили на анализ более реалистичных моделей странных металлов в высокотемпературных сверхпроводниках и других соединениях. Такие предсказания связаны с экспериментами, в том числе с некоторыми, которые находятся в хорошем количественном согласии с наблюдениями за графеном . Эти темы более подробно обсуждаются в разделе « Исследования» .

Резонирующие валентные связи и квантово-спиновые жидкости Z 2

Андерсон предположил, что изоляторы Мотта реализуют антиферромагнетики, которые могут образовывать резонирующие валентные связи (RVB) или состояния квантовой спиновой жидкости с энергетической щелью для спиновых возбуждений без нарушения симметрии обращения времени. Было высказано предположение, что такие состояния RVB имеют возбуждения с дробными квантовыми числами, такими как дробный спин 1/2. Существование таких основных состояний RVB и деконфайнмента дробных возбуждений было впервые установлено Ридом, Сачдевым и Веном в связи с калибровочной теорией Z 2 . Сачдев также был первым, кто показал, что состояние RVB является нечетной калибровочной теорией Z 2 , как описано в разделе « Исследования» . Нечетная спиновая жидкость Z 2 имеет фоновый электрический заряд Z 2 на каждом узле решетки (эквивалентно, трансляции в направлениях x и y антикоммутируют друг с другом в секторе супервыбора состояний, связанном с калибровочным потоком Z 2 (также известен как сектор m )). Сачдев показал, что антиферромагнетики с полуцелым спином должны образовывать жидкости с нечетным спином Z 2 , а антиферромагнетики с целым спином должны образовывать жидкости с четным спином Z 2 . Используя эту теорию, были поняты различные универсальные свойства состояния RVB, включая ограничения на преобразования симметрии анионных возбуждений. Сачдев также получил много результатов о переходах ограничения состояния RVB, включая ограничения на ближайшие квантовые фазы и природу квантовых фазовых переходов в них.

Карьера

Сачдев учился в средней школе Святого Иосифа для мальчиков, Бангалор, и Кендрия Видьялая , ASC, Бангалор . Он учился в колледже Индийского технологического института в Дели в течение года. Он перешел в Массачусетский технологический институт, где получил степень бакалавра физики. Он получил докторскую степень. по теоретической физике Гарвардского университета . Он занимал профессиональные должности в Bell Labs (1985–1987) и в Йельском университете (1987–2005), где он был профессором физики, прежде чем вернуться в Гарвард, где он сейчас является профессором физики Герчела Смита . Он также занимал должности заведующего кафедрой Cenovus Energy Джеймса Клерка Максвелла по теоретической физике в Институте теоретической физики Периметра и профессора кафедры доктора Хоми Дж. Бхабхи в Институте фундаментальных исследований Тата . Он также был членом жюри по физическим наукам на премию Infosys с 2018 года.

Почести

Субир Сачдев внес новаторский вклад во многие области теоретической физики конденсированного состояния. Особое значение имело развитие теории квантовых критических явлений в изоляторах, сверхпроводниках и металлах; теория спин-жидкостных состояний квантовых антиферромагнетиков и теория фракционированных фаз вещества; изучение новых фазовых переходов деконфайнмента; теория квантовой материи без квазичастиц; и применение многих из этих идей к априори несвязанным проблемам физики черных дыр, включая конкретную модель неферми-жидкостей.

за его основополагающий вклад в теорию квантовых фазовых переходов, квантового магнетизма и фракционированных спиновых жидкостей, а также за его лидерство в сообществе физиков.

Медаль Дирака была присуждена профессору Сачдеву в знак признания его значительного вклада в теорию сильно взаимодействующих систем конденсированной материи: квантовые фазовые переходы, включая идею критического деконфайнмента и разрушение традиционной симметрийной парадигмы Ландау-Гинзбурга-Вильсона; предсказание экзотических «спин-жидкостных» и дробных состояний; и приложения к теории высокотемпературной сверхпроводимости в купратных материалах.

Сачдев добился значительных успехов в теории систем конденсированного состояния вблизи квантового фазового перехода, которые пролили свет на богатое разнообразие статических и динамических характеристик таких систем как при конечных температурах, так и при T = 0. Его книга « Квантовые фазовые переходы» - это основной текст в этой области.

Исследовать

Квантовые фазы антиферромагнетиков.

Сачдев много работал над квантовой теорией антиферромагнетизма , особенно в двумерных решетках. Некоторые из состояний спиновой жидкости антиферромагнетиков можно описать, исследуя квантовые фазовые переходы из магнитоупорядоченных состояний. Такой подход приводит к теории возникающих калибровочных полей и возбуждений в состояниях спиновой жидкости. Удобно рассматривать отдельно два класса магнитного порядка: с коллинеарным и неколлинеарным спиновым порядком. В случае коллинеарного антиферромагнетизма (как в состоянии Нееля ) переход приводит к спиновой жидкости с калибровочным полем U (1), в то время как неколлинеарный антиферромагнетизм имеет переход к спиновой жидкости с калибровочным полем Z 2 .

  • Спиновая жидкость U (1) нестабильна на самых длинных масштабах по отношению к конденсации монополей, а фазы Берри конденсирующихся монополей приводят к порядку твердой валентной связи (VBS).
  • Было показано, что спиновая жидкость Z 2 является стабильной, и это была первая реализация стабильного квантового состояния с симметрией относительно обращения времени, возникающими калибровочными полями, топологическим порядком и энионными возбуждениями. Топологический порядок и энионы позже были отождествлены с e , m и ε частицами торического кода (см. Также независимую работу Сяо-Ган Вена ).

Сачдев первым определил, что спиновые жидкости Z 2 делятся на два класса: «четные» и «нечетные». Антиферромагнетики с полуцелым спином могут реализовывать только жидкости с нечетным спином Z 2 , что, таким образом, обеспечивает теорию RVB- состояния Андерсона . Нечетные спиновые жидкости Z 2 имеют (то, что теперь называется) аномалию, которая ограничивает преобразования симметрии анионных возбуждений и модифицирует переход анионной конденсации. Важным следствием является то, что антиферромагнетики с полуцелым спином (и нечетные калибровочные теории Изинга) не имеют тривиальной ограничивающей фазы, как того требуют расширения теорем Либа-Шульца-Маттиса. Эти результаты применимы также к моделям квантовых димеров и близким к ним моделям бозонов на квадратной решетке. Эта работа в настоящее время является отправной точкой исследований в топологическом порядке, обогащенном симметрией (SET).

Эти результаты согласуются с многочисленными численными исследованиями модельных квантовых спиновых систем в двух измерениях.

Что касается экспериментов, то порядок VBS был предсказан этим механизмом в SrCu 2 (BO 3 ) 2 и наблюдался по рассеянию нейтронов. Конкретное состояние спиновой жидкости Z 2, предложенное для решеточного антиферромагнетика кагоме, хорошо согласуется с анализом тензорной сети и было предложено для описания экспериментов по рассеянию нейтронов и ЯМР на гербертсмитите. Состояние спиновой жидкости с зазором также наблюдалось в соединении решетки кагоме Cu 3 Zn (OH) 6 FBr и, вероятно, является спиновой жидкостью Z 2 .

Квантовая критичность

Сачдев предположил, что аномальные динамические свойства купратных сверхпроводников и других коррелированных электронных соединений можно объяснить близостью к квантовой критической фиксированной точке. В квантовом критическом режиме нетривиальной фиксированной точки ренормгруппы (в более чем одном пространственном измерении) динамика характеризуется отсутствием квазичастиц и локальным временем установления равновесия порядка ħ / (k B T) . Это время было предложено как самое короткое из возможных для всех квантовых систем. Измерения переноса с тех пор показали, что эта граница близка к насыщению для многих коррелированных металлов. Сачдев внес большой вклад в квантово-полевые теории квантовой критичности в изоляторах, сверхпроводниках и металлах.

Конфайнментные переходы калибровочных теорий и деконфайнмент критичности

Традиционно классические и квантовые фазовые переходы описывались в рамках парадигмы Ландау-Гинзбурга-Вильсона. Нарушенная симметрия в одной из фаз идентифицируется как параметр порядка ; действие для параметра порядка выражается в виде теории поля, которая контролирует флуктуации в критической точке и через нее. Деконфигурированные критические точки описывают новый класс фазовых переходов, в которых теория поля не выражается через параметр порядка. Нарушенная симметрия и параметры порядка, или топологический порядок, присутствуют в одной или обеих соседних фазах. Теория критического поля выражается в терминах деконфайнтированных дробных степеней свободы, которые не могут существовать изолированно вне образца.

Калибровочные теории Изинга: Франц Вегнер представил калибровочные теории решетки Изинга и их переход между ограничивающей и деконфайндерной фазами, о чем свидетельствует изменение значения петли Вильсона калибровочного поля от закона площадей к закону периметра. Вегнер также утверждал, что конфайнментный переход в этой теории не имеет локального параметра порядка, а вместо этого описывается двойной моделью Изинга в 3-х измерениях. Оказывается, этот вывод нуждается в решающем расширении. Одним из следствий работы Сачдева по возникающим калибровочным полям в двумерных антиферромагнетиках было то, что деконфайнтированная фаза 2 + 1-мерной калибровочной теории Изинга имела топологический порядок Z 2 . Наличие топологического порядка в одной из фаз означает, что это переход Изинга *, в котором мы выбираем только состояния и операторы, которые инвариантны относительно глобальной инверсии Изинга; см. недавнее численное исследование наблюдаемых последствий этого ограничения. Поле Изинга представляет собой дробное возбуждение деконфайндерной фазы, «визона» (или m- частицы), несущего квант калибровочного потока Z 2 , а визоны могут создаваться только парами. Конфайнментный переход вызывается конденсацией деконфайнментированных визонов, и поэтому это пример деконфайнмента квантовой критической точки, хотя здесь нет бесщелевого калибровочного поля.

Странные калибровочные теории Изинга: Понятие деконфайнментной критичности становится все более важным при изучении переходов ограничения состояний RVB . Они описываются декон-определенными фазами "нечетных" калибровочных теорий Изинга с топологическим порядком Z 2 . ( Калибровочная теория Вегнера Z 2 , которая является «четной», не является удовлетворительной теорией RVB-состояния.) Теперь критическая теория имеет дробные возбуждения и бесщелевое калибровочное поле. В контексте двумерных антиферромагнетиков с полуцелым спином на элементарную ячейку эффективное описание в терминах калибровочных теорий Изинга требует фонового статического электрического заряда на каждом узле: это нечетная калибровочная теория Изинга. Мы можем записать калибровочную теорию Изинга как предел сильной связи компактной калибровочной теории U (1) в присутствии поля Хиггса с зарядом 2. Наличие фоновых электрических зарядов означает, что монополи поля U (1) несут фазы Берри и нетривиально преобразуются под пространственной группой решетки. Поскольку монополи конденсируются в удерживающей фазе, непосредственным следствием этого является то, что ограничивающая фаза должна разрушить пространственную группу за счет развития порядка валентных связей твердых (VBS). Кроме того, фазы Берри приводят к подавлению монополей в критической точке, так что на квадратной решетке критическая теория имеет калибровочное поле U (1), связанное с критическим заряженным скаляром. Обратите внимание, что критическая теория не выражается в терминах порядка VBS, как того требует парадигма LGW (которая игнорирует топологический порядок Z 2 в фазе деконфайнмента). Вместо этого дуальная версия калибровочной теории U (1) записывается в терминах «квадратного корня» из порядка VBS.

Возникновение неколлинеарного антиферромагнетизма: Другой пример деконфайндерной критичности в двумерных антиферромагнетиках появляется в конденсации частиц с электрическими зарядами ( е- частица или спинон) из деконфайндерной фазы калибровочной теории Z 2 . Поскольку спинон также несет квантовые числа глобальных вращений спинов, это приводит к «фазе Хиггса» калибровочной теории Z 2 с антиферромагнитным порядком и нарушенной симметрией вращения спина; здесь антиферромагнитный параметр порядка имеет SO (3) -симметрию, как и критическая теория LGW; но деконфайндерная критическая теория спинонов имеет точную SU (2) -симметрию (которая дополнительно расширяется до O (4) после пренебрежения несущественными членами).

Переход Néel-VBS: Более тонкий класс деконфигурированных критических точек имеет ограничивающие фазы с обеих сторон, а дробные возбуждения присутствуют только в критической точке. Наиболее изученными примерами этого класса являются квантовые антиферромагнетики с SU ( N ) -симметрией на квадратной решетке. Они демонстрируют фазовый переход из состояния с коллинеарным антиферромагнитным порядком в твердое тело с валентной связью, но критическая теория выражается в терминах спинонов, связанных с возникающим калибровочным полем U (1). Изучение этого перехода включало первое вычисление масштабной размерности монопольного оператора в конформной теории поля в 2 + 1 измерениях; более точные вычисления до порядка 1 / N хорошо согласуются с численными исследованиями перехода Нееля-VBS.

SYK-модель неферми-жидкостей и черных дыр

Сачдев и его первый аспирант Джинву Е предложили точно решаемую модель неферми-жидкости , вариант которой теперь называется моделью Сачдева-Е-Китаева . Его фермионные корреляторы имеют степенной распад, который, как было обнаружено, принимает конформно-инвариантную форму при ненулевых температурах. Также было обнаружено, что модель SYK имеет ненулевую энтропию на узел в пределе исчезающей температуры (это не эквивалентно экспоненциально большому вырождению основного состояния: вместо этого оно связано с экспоненциально малым расстоянием между уровнями многих тел, что распространяется по всему спектру до самых низких энергий). Основываясь на этих наблюдениях, Сачдев впервые предположил, что модель голографически двойственна квантовой гравитации на AdS 2 , и отождествил ее низкотемпературную энтропию с энтропией черной дыры Бекенштейна-Хокинга . В отличие от предыдущих моделей квантовой гравитации, кажется, что модель SYK разрешима в режиме, который учитывает тонкие нетепловые корреляции в излучении Хокинга .

Одномерные квантовые системы с запрещенной зоной

Сачдев и соавторы разработали формально точную теорию динамики ненулевой температуры и переноса одномерных квантовых систем с запрещенной зоной. Разбавленность квазичастичных возбуждений при низкой температуре позволила использовать полуклассические методы. Результаты находятся в хорошем количественном согласии с ЯМР и последующими наблюдениями рассеяния нейтронов для спиновых цепочек S = 1, а также с ЯМР для соединения цепи Изинга в поперечном поле CoNb 2 O 6.

Квантовые примеси

Традиционный эффект Кондо включает локальную квантовую степень свободы, взаимодействующую с ферми-жидкостью или жидкостью Латтинжера в объеме. Сачдев описал случаи, когда объем был сильно взаимодействующим критическим состоянием без квазичастичных возбуждений. Примесь характеризовалась восприимчивостью Кюри к иррациональному спину и граничной энтропией иррационального числа состояний.

Ультрахолодные атомы

Сачдев предсказал порядок волны плотности и «магнитную» квантовую критичность в наклонных решетках ультрахолодных атомов. Впоследствии это наблюдалось в экспериментах. Моделирование наклонных решеток вдохновило на создание более общей модели взаимодействующих бозонов, в которой когерентный внешний источник может создавать и аннигилировать бозоны на каждом узле. Эта модель демонстрирует волны плотности с несколькими периодами, наряду с бесщелевыми несоразмерными фазами, и была реализована в экспериментах на захваченных ридберговских атомах.

Металлы с топологическим порядком

Сачдев и его сотрудники предложили новое металлическое состояние, фракционированную ферми-жидкость (FL *): в нем есть электроноподобные квазичастицы вокруг поверхности Ферми , охватывающие объем, отличный от того, который требуется по теореме Латтинжера . Был дан общий аргумент, что любое такое состояние должно иметь возбуждения на торе с очень низкой энергией, не связанные с квазичастицами с низкой энергией: эти возбуждения обычно связаны с возникающими калибровочными полями связанного состояния спиновой жидкости. Другими словами, нелаттинджеровский объем поверхности Ферми обязательно требует топологического порядка . Фаза FL * должна быть отделена от обычной ферми-жидкости (FL) квантовым фазовым переходом: этот переход не обязательно должен включать какую-либо нарушенную симметрию, и были представлены примеры, включающие переходы ограничения / Хиггса калибровочного поля. Сачдев и его сотрудники также описали родственный металл, алгебраическую зарядовую жидкость (ACL), которая также имеет поверхность Ферми с нелаттингеровским объемом с квазичастицами, несущими заряд, но не со спином. FL * и ACL - это металлы с топологическим порядком . Накапливаются свидетельства того, что таким состоянием является металл псевдощели дырочно-допированных купратов.

Квантовый критический перенос

Сачдев разработал теорию квантового переноса при ненулевых температурах в простейшей модельной системе без квазичастичных возбуждений: конформную теорию поля в 2 + 1 измерениях, реализуемую переходами сверхтекучий диэлектрик ультрахолодных бозонов в оптической решетке. Полная картина появилась из квантовых уравнений Больцмана, операторного разложения и голографических методов. Последний сопоставил динамику с горизонтом черной дыры. Это были первые предложенные связи между квантовыми критическими системами конденсированного состояния, гидродинамикой и квантовой гравитацией. Эти работы в конечном итоге привели к теории гидродинамического переноса в графене и успешным экспериментальным предсказаниям, описанным ниже.

Квантовая материя без квазичастиц

Сачдев разработал теорию магнитотермоэлектрического переноса в «странных» металлах: это состояния квантовой материи с переменной плотностью без квазичастичных возбуждений. Такие металлы обнаруживаются, наиболее часто, вблизи оптимального легирования в дырочно-легированных купратах, но также появляются во многих других коррелированных электронных соединениях. Для странных металлов, в которых импульс приблизительно сохраняется, в 2007 году была предложена система уравнений гидродинамики, описывающих двухкомпонентный перенос с компонентой увлечения импульса и квантово-критической проводимостью. Эта формулировка была связана с голографией заряженных черных дыр, функциями памяти и новыми теоретико-полевыми подходами. Эти уравнения справедливы, когда время рассеяния электронов намного короче, чем время рассеяния электронов на примесях, и они приводят к конкретным предсказаниям для плотности, беспорядка, температуры, частоты и зависимости транспортных свойств от магнитного поля. Странное поведение металла, подчиняющееся этим уравнениям гидродинамики, было предсказано в графене в «квантовом критическом» режиме слабого беспорядка и умеренных температур вблизи плотности Дирака. Теория количественно описывает измерения теплового и электрического переноса в графене и указывает на режим вязкого, а не омического потока электронов. Распространение этой теории на металлы Вейля указывало на актуальность аксиально-гравитационной аномалии и делало предсказания для теплового переноса, которые были подтверждены в наблюдениях (и освещены в New York Times ).

Фазы высокотемпературных сверхпроводников

Высокотемпературная сверхпроводимость возникает при удалении электронной плотности от двумерного антиферромагнетика. Большое внимание было уделено промежуточному режиму между антиферромагнетиком и оптимальным сверхпроводником, когда при низких температурах обнаруживаются дополнительные конкурирующие порядки, а в дырочно-легированных купратах появляется «псевдощель». Теории Сачдева об эволюции конкурирующего порядка с магнитным полем, плотностью и температурой были успешно сопоставлены с экспериментами. Сачдев и его сотрудники предложили беспроблемный метод Монте-Карло для изучения возникновения антиферромагнитного порядка в металлах: он дает фазовую диаграмму с высокотемпературной сверхпроводимостью, подобной той, которая обнаруживается во многих материалах, и привела к большому количеству последующих работ, описывающих происхождение высокотемпературная сверхпроводимость в реалистичных моделях из различных материалов. Для сверхпроводников на основе железа был предсказан нематический порядок, а для купратов, допированных дырками, был предсказан новый тип волны зарядовой плотности, волна плотности d -формы; оба наблюдались в многочисленных экспериментах. Утверждалось, что металл псевдощели дырочных купратов является металлом с топологическим порядком, как обсуждалось выше , частично на основании его естественной связи с волной плотности d-формы . Вскоре после этого замечательные эксперименты Баду и др. продемонстрировали доказательства малого состояния поверхности Ферми с топологическим порядком, близким к оптимальному легированию в YBCO, что согласуется с общей теоретической картиной, представленной в работе Сачдева.

использованная литература

внешние ссылки