从实空间位置算符理解最低 Landau 能级的量子度规
从实空间位置算符理解最低 Landau 能级的量子度规
这份笔记从实空间位置算符出发,重新理解最低 Landau 能级中的 quantum metric、Berry curvature 以及理想 trace condition。为避免符号混乱,下面固定约定为:
这对应电荷为 $-e$ 的电子。若改用 $H=(\mathbf p-e\mathbf A)^2/2m$,Berry 曲率相关符号会整体反号,但 $\operatorname{tr}g=|\Omega_{xy}|$ 不变。
动力学动量与基本对易关系
定义动力学动量
于是 Hamiltonian 为
磁场为
利用$p_i=-i\hbar\partial_i$,可得
展开得到
因为
所以
因此
定义磁长
于是
这个非对易性是 Landau 能级量子化的根源。
在磁场中,电子的运动可以看成两部分:
因此希望把位置算符写成
其中 $\mathbf R=(R_x,R_y)$ 是 guiding-center coordinate,描述回旋轨道中心;$\boldsymbol{\eta}=(\eta_x,\eta_y)$ 是 cyclotron coordinate,描述电子相对于回旋中心的位置。
这个分解不是随便定义的。我们希望 $\mathbf R$ 表示轨道中心,因此它应当不随 Landau 回旋运动变化。量子力学中,这意味着 $\mathbf R$ 应该与动力学动量 $\boldsymbol{\pi}$ 对易,从而也与 Hamiltonian 对易。也就是说,我们要求
下面从这个要求推出 $\mathbf R$ 和 $\boldsymbol{\eta}$。
从对易关系推导 guiding center
设
要求
计算:
其中$[x,\pi_x]=i\hbar$,而
因此
令其为零,得到
所以
同理,设
要求
计算:
其中
所以
令其为零,得到
因此
于是 guiding center 为
因为
而 $\mathbf R$ 与 $\boldsymbol{\pi}$ 对易,所以
这说明 $\mathbf R$ 是 Landau 轨道中心,是 Landau 能级内部的简并自由度。
cyclotron coordinate
由
得到
因此
也就是
反过来,
所以动力学动量完全由 cyclotron coordinate 表示。
现在验证三组重要对易关系。
- cyclotron coordinate 的对易关系
由
得到
由于
所以
因此
- guiding center 的对易关系
利用
计算
展开:
逐项计算:
代入:
也就是
所以
- guiding center 与 cyclotron coordinate 对易
以 $[R_x,\eta_y]$ 为例。
因此
代入
得到
即
类似地可得
因此
最终得到完整代数:
这说明 $\mathbf R$ 和 $\boldsymbol{\eta}$ 是两套彼此独立的非对易坐标。
Hamiltonian 只依赖 cyclotron coordinate
因为
所以
于是
利用
有
因此
也就是说,Landau 能级的能量只由 cyclotron coordinate 决定,而 guiding center $\mathbf R$ 不进入能量。这就是 Landau 能级高度简并的原因。
由于
可以定义谐振子湮灭算符
验证其对易关系:
由于
所以
代入
得到
因此
反解为
代入 $\eta_x^2+\eta_y^2$,得到
于是 Hamiltonian 变成
所以
第 $n$ 个 Landau 能级满足
能量为
最低 Landau 能级满足
位置算符与量子几何张量
对于一个孤立能带,量子几何张量可写成
在位置算符表述中,动量空间的导数本质上由位置算符生成。因此可以将量子几何张量理解为位置算符在目标能带之外的矩阵元。
对 Landau 能级,令 $P_n$ 表示投影到第 $n$ 个 Landau 能级的投影算符。则可以写成
这里 $\alpha$ 表示 Landau 能级内部的 guiding-center 简并指标。由于体系平移对称,最终结果不依赖 $\alpha$。这个公式的物理意义是:量子几何张量衡量位置算符把态从目标能带带到其他能带的程度。
- 为什么只有 cyclotron coordinate 贡献量子几何?
利用
guiding center $\mathbf R$ 与 Hamiltonian 对易:
因此 $\mathbf R$ 不改变 Landau level index,只在同一个 Landau 能级内部移动 guiding center。换句话说,
而 $\boldsymbol{\eta}$ 由 $a,a^\dagger$ 构成,会改变 Landau level index:
因此
所以
于是
由于 $\eta_i$ 本身只连接不同 Landau 能级,没有同一 $n$ 内部矩阵元,因此可以写成
这里已经省略了 guiding-center 指标,因为它不影响 cyclotron oscillator 的期望值。因此有一个非常直接的结论:
最低 Landau 能级的 quantum metric
现在计算最低 Landau 能级 $n=0$。由
得到
在最低 Landau 能级中,
因此
所以
同理,
再看交叉项。量子度规取量子几何张量的实部,所以
计算
取 $|0\rangle$ 中的期望值,只有 $aa^\dagger$ 项贡献
其实部为零,所以
因此最低 Landau 能级的 quantum metric 是
即
这说明最低 Landau 能级的量子度规就是 cyclotron 坐标的基态涨落。
Berry 曲率与 cyclotron coordinate
采用约定
前面算得
因此
所以
也可以直接从非对易性理解。因为
而
量子几何张量的虚部正是由这个非对易部分决定的。因此,Berry 曲率的大小来自 cyclotron coordinate 的非对易面积。
trace condition 的位置算符理解
最低 Landau 能级中,
所以
同时
因此
这个等式可以用不确定性关系来理解。由于
所以
最低 Landau 能级是谐振子基态,是最小不确定度态
因此
而这正是
另一方面,非对易面积
对应 Berry 曲率大小
所以最低 Landau 能级满足
的原因是:
高 Landau 能级为什么偏离 trace condition?
对第 $n$ 个 Landau 能级,
重复计算:
其中
因此
同理
所以
于是
另一方面,Berry 曲率由非对易代数决定,而
与 $n$ 无关。因此
于是
只有 $n=0$ 时偏离为零。这说明高 Landau 能级的 cyclotron motion 被激发,实空间涨落更大,所以 metric 增大;但 Berry curvature 由坐标非对易性决定,不随 $n$ 增大。因此高 Landau 能级不再满足最低 Landau 能级的理想 trace condition。
投影位置算符与 Berry 曲率
还有一个等价视角:看投影到单个 Landau 能级后的坐标算符。定义
因为
而 $\eta_i$ 会改变 Landau level index,所以
因此
于是
由于
得到
这说明:投影到单个Landau能级后,实空间坐标变成非对易坐标。这个非对易性就是 Chern band Berry curvature 的实空间版本。因此可以总结为
而 metric 来自位置算符不能留在该 Landau 能级内部的那部分:
对 Landau 能级来说,这部分正是 cyclotron coordinate $\boldsymbol{\eta}$。所以:
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