[论文解读] Chiral Heat Wave and wave mixing in chiral media

M. N. Chernodub|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2015

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 2

一句话总结

本文提出了一种新的无能隙集体激发模式——手征热波（Chiral Heat Wave），其在旋转的相对论性手征流体中由混合 gauge-引力异常引起。该研究证明，该模式在有限密度下与手征涡旋波耦合，并在外部磁场作用下与手征磁波混合，从而形成具有与各自独立模式不同相速度的耦合波。

ABSTRACT

We show that a hot rotating fluid of relativistic chiral fermions possesses a new gapless collective mode associated with coherent propagation of energy density and chiral density waves along the axis of rotation. This mode, which we call the Chiral Heat Wave, emerges due to a mixed gauge-gravitational anomaly. At finite density the Chiral Heat Wave couples to the Chiral Vortical Wave while in the presence of an external magnetic field it mixes with the Chiral Magnetic Wave. The coupling of the Chiral Magnetic and Chiral Vortical Waves is also demonstrated. We find that the coupled waves - which are coherent fluctuations of the vector, axial and energy currents - have generally different velocities compared to the velocities of the individual waves.

研究动机与目标

• 识别并表征在旋转的相对论性手征流体中出现的一种新型无能隙集体激发——手征热波。
• 研究混合 gauge-引力异常在该模式出现中的作用。
• 研究在有限手征荷密度下，手征热波与手征涡旋波之间的耦合机制。
• 探索在外部磁场存在下，手征热波与手征磁波的混合行为。
• 确定耦合波模式的色散关系与传播速度，并与未耦合模式进行比较。

提出的方法

• 采用有效场论技术，对含有手征费米子的相对论性手征流体进行建模。
• 从混合 gauge-引力异常推导流体力学方程，以描述矢量流、轴流和能量流的涨落。
• 分析矢量流、轴流和能量流的耦合方程组，以识别集体激发模式。
• 在三种条件下求解耦合波的色散关系：旋转（手征涡旋波）、磁场（手征磁波）以及两者共同作用。
• 利用线性响应理论，提取在外部场作用下矢量流、轴流和能量流的相干涨落。
• 将耦合波的相速度与各自独立波的相速度进行比较，以评估模式混合效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于混合 gauge-引力异常，在旋转的相对论性手征流体中会涌现出何种新型集体激发模式？
• RQ2 在有限手征荷密度下，手征热波如何与手征涡旋波耦合？
• RQ3 在外部磁场存在下，手征热波如何与手征磁波混合？
• RQ4 与未耦合波相比，耦合波模式的色散关系与传播速度是什么？
• RQ5 矢量流、轴流和能量流的相干涨落是否形成具有独特动力学特性的新集体模式？

主要发现

• 识别出一种新的无能隙集体模式——手征热波，其为沿旋转轴传播的能量与手征密度波的相干传播。
• 手征热波源于相对论性手征流体流体响应中的混合 gauge-引力异常。
• 在有限手征荷密度下，手征热波与手征涡旋波耦合，形成一种新的耦合激发模式。
• 在外部磁场存在下，手征热波与手征磁波混合，形成一种新的耦合波模式。
• 由矢量流、轴流和能量流的相干涨落所形成的耦合波，其传播速度与各自独立波不同。
• 该系统支持多个具有不同色散关系的相干模式，表明手征、涡旋与热动力学之间存在非平凡的相互作用。