[論文レビュー] Introduction to superfluidity -- Field-theoretical approach and applications

Andreas Schmitt|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2014

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用数 27

ひとこと要約

このコースは、ヘリウムのような低エネルギー超流動体から、白色矮星などの高エネルギー超流動体まで、多様な系における超流動の理解のための統一的場理論的枠組みを提供する。超流動と超伝導の背後にあるメカニズムが、エネルギースケール、統計（ボソン的・フェルミオン的）、相対論的・非相対論的領域に関わらず、本質的に同一であることを示している。主な貢献は、素粒子物理学と凝縮系物理学の間をつなぐ教育的ブリッジを、量子場理論を共通の言語として構築することにある。

ABSTRACT

In this pedagogical introduction, I discuss theoretical aspects of superfluidity and superconductivity, mostly using a field-theoretical formalism. While the emphasis is on general concepts and mechanisms behind superfluidity, I also discuss various applications in low-energy and high-energy physics. Besides some introductory and standard topics such as superfluid helium and superfluidity in a simple scalar field theory, the lecture notes also include more advanced chapters, for instance discussions of the covariant two-fluid formalism and Cooper pairing with mismatched Fermi surfaces.

研究の動機と目的

• 量子場理論を用いて、低エネルギー物理学と高エネルギー物理学における超流動および超伝導の記述を統一すること。
• 非相対論的および相対論的記述がつながっており、前者が後者の低エネルギー極限として得られることを示すこと。
• ボソン的およびフェルミオン的超流動が、微視的場理論的記述を通じて連続的に関連することを示すこと。
• 高エネルギー物理学者が凝縮系超流動を理解できるようにし、逆に凝縮系物理学者が高エネルギー超流動を理解できるようにする教育的ブリッジを提供すること。
• 超流動の根本的な微視的メカニズムに焦点を当てつつ、二流体模型などの物性モデルと結びつけること。

提案手法

• ボソン凝縮とフェルミオンのコープアー対形成を両者とも記述する中心的形式的手段としての量子場理論の使用。
• 非相対論的および相対論的超流動の両方に適用可能な相対論的場理論的枠組みの構築。
• 有効場理論的手法を用いて、微視的量子場理論と巨視的物性モデルを結びつけること。
• 長距離秩序を持つ多体系を記述するための第二量子化および経路積分法の使用。
• 共通の場理論的言語内で、ギンツブルグ＝ランダウ理論およびBCS型理論の明示的構成。
• 対称性の破れとゴルドストーンモードの取り入れによる超流動の出現の記述。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヘリウムのような低エネルギー系における超流動は、高エネルギークォーク物質と同一の場理論的道具でどのように記述できるか？
• RQ2 統一的場理論的枠組みにおいて、ボソン的超流動とフェルミオン的超伝導の関係は何か？
• RQ3 相対論的場理論の非相対論的極限が、既知の超流動現象をどのように再現するか？
• RQ4 超流動の二流体模型は、微視的量子場理論からどのように導出可能か？
• RQ5 場理論的手法を用いて、物質が極端に高密度かつ相対論的であるコンパクト星の内部における超流動をどのように理解できるか？

主な発見

• 同じ場理論的枠組みが、非相対論的および相対論的両方の系における超流動を記述でき、前者は後者の低エネルギー極限として現れる。
• ボソン的およびフェルミオン的超流動が、共通の場理論的記述を通じて連続的に関連しており、フェルミオン系におけるコープアー対形成は適切な極限でボーズ＝アインシュタイン凝縮に還元される。
• 超流動の微視的起源（ボソンの凝縮またはフェルミオンのコープアー対形成）は、量子場理論を用いて一貫して記述可能である。
• 微視的場理論と物性的二流体模型との直接的な接続が確立され、長波長の集団モードが基本的自由度からどのように生じるかが明らかになった。
• このコースは、超伝導と超流動が、粒子の性質や対称性の違いを除けば、同一の物理現象の二面であることを示している。
• この形式的枠組みは、凝縮系システムおよび極端な天体物理学的環境（例えば、超新星爆発後の白色矮星の核など）に適用可能であり、そこでは高密度クォーク物質や核物質における超流動が予測されている。