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

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

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

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

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

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

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

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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