[论文解读] 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)|Mar 29, 2021

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 10

一句话总结

本文研究具有马道能谱的相互作用玻色子——其中能量最小值位于动量球面上而非零动量处——聚焦于O(N)对称模型。对于N=2，识别出两种不同的相变：零温下的玻色-爱因斯坦凝聚与有限温度下的空间非均匀态；对于N>2，表明在所有温度下均可生成动力学质量隙，其对自旋-轨道耦合玻色子在凝聚 matter 中的行为以及通过声子主导动力学在冷核物质或夸克强子物质中的输运具有重要意义。

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.

研究动机与目标

• 分析具有马道色散关系的相互作用玻色子的低能物理，其中最小能量出现在动量空间的球面上。
• 阐明O(2)与O(N)模型（N>2）在相行为上的差异，特别是关于玻色-爱因斯坦凝聚与空间非均匀性的问题。
• 探讨马道谱对凝聚 matter 系统的影响，特别是自旋-轨道耦合的超冷玻色子。
• 研究输运性质（如中微子发射）在冷核物质或夸克强子物质中的表现，其中来自马道谱的声子可能起主导作用。

提出的方法

• 使用功能微分重整化群与平均场方法，分析具有马道色散关系的O(N)对称玻色子的有效场论。
• 应用维度调节与微扰重整化，研究N>2情况下有限温度下质量隙的生成。
• 识别戈尔登斯坦模式的作用及其因马道结构而产生的修正，导致低能动力学发生改变。
• 比较N=2与N>2情况下的临界行为与相变，重点关注玻色-爱因斯坦凝聚与空间非均匀性之间的相互作用。
• 利用色散关系的结构推导有效声子模式及其在致密核物质中输运的贡献。
• 将结果应用于预测夸克强子相中非费米液体行为，其依据是由于马道谱的存在而不存在费米面。

实验结果

研究问题

• RQ1 玻色子色散关系中马道谱的存在如何改变O(N)对称模型的相结构？
• RQ2 具有马道谱的O(2)玻色子模型中存在哪些不同的相变？它们与N>2的O(N)模型中的相变有何区别？
• RQ3 在有限温度下，N>2的O(N)模型中是否可以生成动力学质量隙？其对低能谱有何影响？
• RQ4 与马道谱相关的声子如何影响冷核物质或夸克强子物质中的输运？
• RQ5 马道谱在多大程度上导致致密核系统中出现非费米液体行为？

主要发现

• 对于具有马道谱的O(2)对称玻色子，发生两种不同的相变：零温下的玻色-爱因斯坦凝聚与有限温度下的空间非均匀态转变。
• 在N>2的O(N)模型中，所有温度下均可生成动力学质量隙，表明即使在高温下也存在能隙谱。
• 马道谱改变了戈尔登斯坦模式结构，导致低能有效理论中出现增强的软模式。
• 在凝聚 matter 中，此类模型可描述自旋-轨道耦合玻色子，其中马道结构稳定了新型量子相。
• 在冷核物质或夸克强子物质中，输运过程（如中微子发射）由来自马道谱的声子主导。
• 由于马道色散关系的存在，夸克强子相中不存在费米面，这表明核物质中可能出现非费米液体行为。