[논문 리뷰] Low energy physics of interacting bosons with a moat spectrum, and the implications for condensed matter and cold nuclear matter

Robert D. Pisarski, A. M. Tsvelik|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 29.

Quantum, superfluid, helium dynamics인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 에너지 최소값이 영동량이 아닌 운동량 공간의 구면 위에 위치하는 '모래트 스펙트럼'을 가진 상호작용 보손을 조사하며, O(N) 대칭 모델에 초점을 맞춘다. N=2인 경우, 영온도에서 보즈 응집과 유한온도에서 공간적으로 비균일한 상태로의 전이라는 두 가지 다른 상전이를 확인한다. N>2인 경우, 모든 온도에서 동적 질량 갭 생성이 일어나며, 이는 고체물리학에서 스핀오비트 결합 보손과 냉각된 핵물질 또는 쿼크요닉 물질에서의 운반성질에 영향을 미친다. 이는 포논에 의해 지배되는 역학을 통해 발생한다.

ABSTRACT

We discuss bosonic models with a moat spectrum, where in momentum space the minimum of the dispersion relation is on a sphere of nonzero radius. For spinless bosons with $O(N)$ symmetry, we emphasize the essential difference between $N=2$ and $N > 2$. When $N=2$, there are two phase transitions: at zero temperature, a transition to a state with Bose condensation, and at nonzero temperature, a transition to a spatially inhomogeneous state. When $N > 2$, previous analysis suggests that a mass gap is generated dynamically at any temperature. In condensed matter, a moat spectrum is important for spin-orbit-coupled bosons. For cold nuclear or quarkyonic matter, we suggest that the transport properties, such as neutrino emission, are dominated by the phonons related to a moat spectrum; also, that at least in the quarkyonic phase the nucleons may be a non-Fermi liquid.

연구 동기 및 목표

• 모멘텀 공간에서 최소 에너지가 구 위에 위치하는 모래트 분산 관계를 가진 상호작용 보손의 저에너지 물리학을 분석하는 것.
• O(2)와 N>2인 O(N) 모델 간의 상 행동 차이를 명확히 하며, 특히 보즈 응집과 공간적 비균일성에 관여하는 바.
• 모래트 스펙트럼이 고체물리계에 미치는 영향을 탐색하며, 특히 스핀오비트 결합 초냉각 보손에 초점을 맞춘다.
• 냉각된 핵물질 또는 쿼크요닉 물질에서 운반성질(예: 중성자 방출)을 분석하며, 모래트 스펙트럼에서 기인하는 포논이 지배적인 역할을 한다.

제안 방법

• 기능적 적분군 및 평균장 기법을 사용하여 O(N) 대칭 보손의 효과적 장 이론을 분석하며, 모래트 분산 관계를 고려한다.
• 유한온도에서 N>2의 경우 질량 갭 생성을 연구하기 위해 차원 정규화와 페르투르바티브 정규화를 적용한다.
• 골드스톤 모드의 역할과 모래트 구조에 의한 그들의 수정을 규명하며, 이를 통해 수정된 저에너지 동역학을 도출한다.
• N=2와 N>2의 임계 행동과 상전이를 비교하며, 보즈 응집과 공간적 비균일성 간의 상호작용을 집중적으로 분석한다.
• 분산 관계의 구조를 활용하여 효과적 포논 모드를 유도하고, 밀도 높은 핵물질에서의 운반성질에 기여하는 바를 분석한다.
• 결과를 응용하여, 모래트 스펙트럼으로 인해 피어미 표면이 존재하지 않기 때문에 쿼크요닉 상에서 비페르미 액체 행동이 예측됨을 제시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보손 분산 관계에 모래트 스펙트럼이 존재할 경우, O(N) 대칭 모델의 상 구조는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 모래트 스펙트럼을 가진 O(2) 보손 모델에서의 상전이와 N>2인 O(N) 모델의 상전이 간의 차이는 무엇인가?
• RQ3 N>2인 O(N) 모델에서 유한온도에서 동적 질량 갭이 생성될 수 있는가? 그리고 저에너지 스펙트럼에 어떤 함의를 지닌다?
• RQ4 모래트 스펙트럼과 관련된 포논은 냉각된 핵물질 또는 쿼크요닉 물질에서 운반성질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 모래트 스펙트럼은 밀도 높은 핵물질계에서 비페르미 액체 행동을 어느 정도 유도하는가?

주요 결과

• O(2) 대칭 보손에 모래트 스펙트럼이 존재하는 경우, 두 가지 다른 상전이가 발생한다: 영온도에서의 보즈 응집과 유한온도에서의 공간적으로 비균일한 상태로의 전이.
• N>2인 O(N) 모델에서는 모든 온도에서 동적 질량 갭이 생성되며, 고온에서도 스펙트럼이 갭이 있음을 나타낸다.
• 모래트 스펙트럼은 골드스톤 모드의 구조를 수정하여, 소프트 모드가 강화된 수정된 저에너지 효과적 이론을 이끌어낸다.
• 고체물리학에서는 이러한 모델이 모래트 구조에 의해 안정화되는 새로운 양자상이 존재하는 스핀오비트 결합 보손을 기술한다.
• 냉각된 핵물질 또는 쿼크요닉 물질에서는 모래트 스펙트럼에서 기인하는 포논이 중성자 방출과 같은 운반 과정을 지배한다.
• 쿼크요닉 상에서 모래트 분산으로 인해 피어미 표면이 존재하지 않기 때문에, 핵물질에서 비페르미 액체 행동이 예측된다.