今天我汇报的主要内容是这篇文献当中所介绍的三格点ssh模型的体边对应关系。主要分为两部分,第一部分介绍该模型所具有的点手性对称性,第二部分即体边对应关系。
Ssh3模型如图所示,每个原胞内有三个格点A、B、C,格点间的跳跃强度分别为u、v,原胞间的跳跃强度为w。关于经典的ssh模型之前有很多同学已经介绍过,这里直接给出动量空间下ssh3模型的哈密顿量,右图是色散关系,参数取值如图u=1.5,v=0.5,w=1.0.
一、若存在幺正算符作用在H上变为-H,我们就说该系统的哈密顿量具有手性对称性。手性对称性要求能谱是对称的,如果有一个能量为En的本征态phi n;那么gama phi n也是H的本征态,能量为-En。所以,ssh3 模型并不存在手性对称性。虽然ssh3模型并不存在手性对称性,但是我们可以从另一个角度看待这个模型,如果将ssh3模型的两个相邻原胞组合在一起,即构成ssh6模型,ssh6模型具有手性对称性,手性算符gama长这个样子。作为ssh6的子系统,应该继承ssh6的一些属性,即ssh3模型在k=pi/2点处具有点手性对称性,能谱关于(pi/2,0)这个点是中心对称的,对于左半部分也是一样的。用公式表示即如下的形式,gama p H gama p dagger 等于 -H(pi+k)。点手性对称性将导致结果:本征态总是成对出现,能量相反,并且对应的本征态可以通过点手性算符作用得到。并且本征态在奇数和偶数格点上有相同的概率幅。右图绘制了w等于3时的四个边缘态的概率幅。红色代表A格点,绿色代表B格点,蓝色代表C格点,可以看到在奇数和偶数位置的概率幅相同。
(问问题)
二、接下来,我们介绍文章中给出的体边对应关系。先介绍一下整体的思路,首先构造体态解并从中提取体拓扑数,然后在开边界久期方程中带入周期性解条件,得到体态解。将其与先前的体态解条件对比,得到体态解的数目,缺失的态即为边缘态。对比拓扑数与边缘态的数目,在相同的跃迁参数下一一对应。 最后绘制出相边界。
1、从体态中提取的拓扑数定义为归一化子格zak phase。在无限长的链中,由于平移对称性,可以取bloch波形式的解,小写的拉姆达是能带指标,大写的lamda为归一化因子,exp为平面波,n原胞数, A\B\C为不同格点上的展开系数,为了方便计算,将第三个格点的相位取作0。通过施加边界条件a、b,可以在周期链中取开边界的链。边界条件a可以通过周期性解叠加得到,这里用到了时间反演对称性对theta 和 lamda的要求,将叠加后的态进行化简。容易验证,时间反演算符sigma 0 k,时间反演态phi star -k满足相同的薛定谔方程,具有相同形式的解,要求a为偶函数,theta为奇函数。边界条件b要求theta a具有特定的取值。也就是说周期性解的数量由theta中n lamda取值个数决定。既然体态解的个数隐藏在theta中,我们自然的想将这一信息提取,定义为规一化子晶格ZAK phase,作为体拓扑数。Pa为子格A的投影算符,第二个等号用到了时间反演对称性要求的theta为奇函数,化简到半布里渊区。
(问问题)
2、Theta除了满足上述条件之外,还应受到跳跃参数 u、v、w的制约。我们通过求解开边界哈密顿量中加入周期解的条件得到相应的解。首先,我们通过定义一个记号,将久期方程化简为一组方程,这有利于后面使用递推公式。X1:3大N代表3Nx3N完整的链的行列式。n代表原胞数,i代表原胞内的格点数。将2、3式带入一式中,得到只关于xn1的方程式。然后将周期边界条件带入,得到4式。再做两步变量代换,得到5式,其具有第二类切比雪夫多项式的形式,。第二类切比雪夫多项式具有如下的递推关系,容易验证Un cosx = sin n+1 x 除sinx。同样的w递推关系式也具有这种形式,x替换为cosk。久期方程即Un+a lamdaU n-1=0。化简之后得到由跳跃参数决定的体态解条件。
(问问题)
3将两个条件对比,我们取theta = phi。现在我们可以求由特定的跳跃参数强度决定的体拓扑数 NS ZAK phase。这里以两个不同能带、不同参数的情形为例,画出theta在半布里渊区的曲线,与文章所给表格结果一致。Lamda代表能带,Z ref在不取其他规范下可以认为是0,它的值是在a、b均大于1时的任意能带的NS ZAK phase值,可以看到其值都为0,这里引入Z ref是为了让我们的体拓扑数成为一个规范不变量。
4、接下来我们计算边缘态,这里以lamda=1 N=10为例。我们将两组条件在半布里渊区绘制出来,交点即为体态解,若等于N,全为体态,若少于N,少的个数即为边缘态。除去两个端点,因为k=0 or pi时,波函数为0。当a、b都大于1时,交点刚好是10个;当a、b都小于1时,交点为8个。这与体拓扑数NS ZAK phase除上pi 一一对应。我们也绘制了不同跳跃参数下,开边界的能谱。可以看到右图,在a、b均小于1时,中间带存在两个边缘态。(问问题)
5、最后,我们绘制出相边界。第一个是因为缺失的体态总是在边缘处,曲线应满足的斜率条件,左图绘制了中带和顶带分别在N=2,10,1000时的相变曲线图,分别是蓝色、红色和绿色。 第二个是参数空间中分隔不同NS ZAK phase的值由这个方程决定。右图绘制了不同参数时,低于零能量的边缘态数目,即先前表格中所给的结果。可以看到在N比较大的时候,二者边界一致,从而进一步验证了体边对应关系。