[논문 리뷰] Snowmass White Paper: Effective Field Theories for Condensed Matter Systems

Tomáš Brauner, Sean A. Hartnoll외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 18.

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics인용 수 8

한 줄 요약

이 스노우마스 화이트 페이퍼는 응집물질 시스템에 대한 효과적 장 이론(EFT)의 최근 응용을 검토하며, 자발적 대칭성의 위반, 유체역학, 프랙톤 상태, 2+1차원에서의 이중성, 비페르미 액체, 얽힘 엔트로피, 그리고 우주론적 연결성을 중심으로 다룹니다. EFT는 다양한 양자 상에서 저에너지 물리 현상을 대칭성 기반의 통합 프레임워크로 분류할 수 있음을 제안하며, 주요 결과로는 나무부-골드스톤 모드에 대한 일반적인 EFT와 기괴한 양자 상에 대한 체계적인 접근법이 포함됩니다.

ABSTRACT

We review recent progress and a number of future directions for applications of effective field theory methods to condensed matter systems broadly defined. Our emphasis is on areas that have allowed a fertile exchange of ideas between high energy physics and many-body theory. We discuss developments in the effective field theory of spontaneous symmetry breaking, of hydrodynamics and non-equilibrium dynamics more generally, fracton phases of matter, and dualities between 2+1 dimensional field theories. We furthermore discuss the application of effective field theory to non-Fermi liquids, the dynamics of entanglement entropy and to condensed matter aspects of cosmology.

연구 동기 및 목표

• 효과적 장 이론(EFT) 기법을 응집물질 시스템에 체계적으로 적용함으로써 고에너지 물리학과의 융합 영역을 강조한다.
• 특히 이동 대칭성과 같은 시공간 대칭성의 자발적 위반에 대해 알고리즘 기반, 사용자 우아한 EFT 작용을 구성하는 데 도전하는 문제를 다룬다.
• 전통적인 장 이론이 실패하는 곳인 2+1차원에서의 비페르미 액체, 프랙톤 상태, 그리고 이중성을 기술하는 데 EFT의 역할을 탐색한다.
• 응집물질 EFT를 초기 우주 상전이 및 어두운 물질 초류체성과 같은 우주론적 현상과 연결한다.
• 어두운 물질 후보자와 그들이 초전도체, 초유체 및 토폴로지 물질에서의 집합 모드를 통해 탐지되는 방식을 모델링하기 위한 통합 EFT 프레임워크를 수립한다.

제안 방법

• 내부 대칭성과 시공간 대칭성을 포함한 자발적 대칭성 위반의 패턴에서 저에너지 효과적 작용을 유도하기 위해 대칭성 기반 분류를 활용한다.
• 나무부-골드스톤 모드에 대한 일반 EFT 형식을 양자 다체계에 적용하여 상대론적 장 이론의 결과를 비상대론적 응집물질 맥락으로 확장한다.
• 강한 상관관계를 가진 시스템에서 제어 가능한 전개를 가능하게 하기 위해 대-N 기법을 사용하여 비페르미 액체를 연구한다.
• 2+1차원에서의 이중성을 활용하여 서로 다른 보이기 쉬운 장 이론 간의 관계를 규명하고, 숨겨진 대칭성과 보편적 행동을 드러낸다.
• 하나의 이동성 제한된 진동자와 함께 작용하는 프랙톤 상태를 기술하기 위한 새로운 EFT를 도입한다. 이는 전통적인 장 이론의 가정을 도전하는 부분차원 동역학을 초래한다.
• 양자 정보와 중력 유사 동역학 간의 연결을 위해 EFT에서 유도된 막 세계체적 작용과 위상적 장 이론 구성 방법을 응용하여 얽힘 엔트로피의 동역학을 기술한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 응집물질 시스템에서 이동과 같은 시공간 대칭성의 자발적 위반을 위한 효과적 장 이론을 체계적으로 구성할 수 있는가?
• RQ2 비페르미 액체의 보편적 저에너지 행동은 무엇이며, 대-N 전개와 EFT 기법을 통해 어떻게 기술할 수 있는가?
• RQ3 2+1차원 장 이론에서의 이중성은 서로 다른 응집물질 상들 사이의 숨겨진 관계를 어떻게 드러내는가?
• RQ4 기존 장 이론이 붕괴하는 곳인 프랙톤과 같은 기묘한 양자 상을 기술하는 데 EFT의 역할은 무엇인가?
• RQ5 어떻게 EFT는 인플레이션을 유도하는 고체 유사 상이나 어두운 물질 초류체성과 같은 응집물질 상과 우주론적 현상 간의 상호작용을 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• 상대론적 및 비상대론적 시스템, 특히 시공간 대칭성의 자발적 위반을 포함한 모든 시스템에 일반적으로 적용 가능한 나무부-골드스톤 모드에 대한 효과적 장 이론이 개발되었다.
• 유도항 전개와 보존 법칙을 통해 점성 및 소산 효과를 포함한 대칭성 위반 시스템의 유체역학적 행동이 EFT 프레임워크에 의해 성공적으로 기술되었다.
• 이동성 제한된 진동자가 존재하는 프랙톤 상태는 기존 장 이론의 가정을 도전하는 부분차원 동역학을 초래하는 새로운 EFT로 기술된다.
• 다양한 장 이론 간의 관계를 드러내는 2+1차원에서의 이중성이 규명되었으며, 이는 강한 상관관계를 가진 시스템에서 새로운 보편성 클래스와 대칭성을 드러낸다.
• EFT는 빛의 어두운 물질 후보자와 초전도체, 초유체, 토폴로지 물질에서의 집합 모드 간의 상호작용을 모델링하는 데 강력한 프레임워크를 제공한다.
• 양자 시스템에서의 얽힘 엔트로피의 동역학은 EFT에서 유도된 막 세계체적 작용으로 기술될 수 있으며, 이는 양자 정보와 중력 유사 동역학을 연결한다.