[论文解读] Meson Domain Wall as a Surface of Topological Insulator and Nonrelativistic Photons

Naoki Yamamoto|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2015

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 3

一句话总结

该论文提出，在致密核物质中的介子畴壁可作为类似于拓扑绝缘体表面的拓扑表面，从而引发轴子电动力学。在此有效理论中，一个光子手征态在低动量下表现出非相对论性、无能隙的色散关系 ω ∼ k²，而另一个则保持有能隙，与拓扑绝缘体表面光子行为相一致。

ABSTRACT

We argue that the effective theory for electromagnetic fields near a meson domain wall in dense nuclear and quark matter is essentially the same as that at the interface between topological and trivial insulators in condensed matter systems: the axion electrodynamics. We show that one of the helicity states of photons has the nonrelativistic gapless dispersion relation $\omega \sim k^2$ at small momentum, while the other is gapped, around the meson domain wall or at the surface of topological insulator.

研究动机与目标

• 建立致密核物质与夸克物质中介子畴壁与拓扑绝缘体表面物理之间的理论联系。
• 研究在该类畴壁附近的电磁模式是否服从轴子电动力学，这是拓扑相变的标志性特征。
• 确定靠近畴壁的光子模式的色散关系，并识别是否存在非相对论性行为。

提出的方法

• 采用轴子电动力学的有效场论来描述靠近介子畴壁的电磁响应。
• 将畴壁建模为量子色动力学中 trivial 与 nontrivial 拓扑相之间的拓扑界面。
• 通过求解包含轴子样耦合项的修正麦克斯韦方程，分析光子色散关系。
• 利用对称性与拓扑不变量对表面模式进行分类，并预测其能隙结构。
• 将所得光子谱与凝聚 matter 拓扑绝缘体表面态进行比较。
• 推导出一个手征态在低动量下的色散关系 ω ∼ k²，表明其具有非相对论性行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 在致密夸克物质中的介子畴壁附近，其有效电磁理论是否类似于拓扑绝缘体中发现的轴子电动力学？
• RQ2 靠近介子畴壁的光子色散关系是什么？是否表现出非相对论性行为？
• RQ3 是否存在明显的有能隙与无能隙光子模式，它们与手征态有何关系？
• RQ4 畴壁的拓扑性质如何影响电磁响应？
• RQ5 表面模式能否用非相对论性色散关系 ω ∼ k² 描述？

主要发现

• 靠近介子畴壁的一个光子手征态在低动量下表现出非相对论性、无能隙的色散关系 ω ∼ k²。
• 另一个光子手征态保持有能隙，其能隙大小由畴壁的能量尺度决定。
• 靠近畴壁的电磁场有效理论等价于轴子电动力学，与拓扑绝缘体界面中的情况一致。
• 由于畴壁的非平庸拓扑性质，系统支持拓扑保护的表面模式。
• 出现 ω ∼ k² 色散关系表明在低能下 Lorentz 对称性被破坏，这是非相对论性光子模式的特征。
• 结果建立了致密夸克物质中介子畴壁与凝聚态物理中拓扑绝缘体表面之间的直接类比。