亚州av综合色区无码一区,午夜一区二区三区亚洲影院电影网,天堂а√在线地址,性人久久网av,无码内射成人免费喷射

曉木蟲
學(xué)術(shù)數(shù)據(jù)庫客戶端

物理所等運用大規(guī)模量子蒙特卡洛模擬研究希格斯振幅模

 找回密碼
 注冊新賬號

QQ登录

微信登录

物理所等運用大規(guī)模量子蒙特卡洛模擬研究希格斯振幅模

摘要:   希格斯玻色子 (Higgs boson) 的實驗驗證是本世紀(jì)以來最重要的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。在凝聚態(tài)物理系統(tǒng)中,科學(xué)家們也已經(jīng)學(xué)習(xí)希格斯玻色子或者希格斯模數(shù)十年,其具體表現(xiàn)形式為不同量子態(tài)(包括超導(dǎo)、超流及磁有序態(tài) ...

  希格斯玻色子 (Higgs boson) 的實驗驗證是本世紀(jì)以來最重要的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。在凝聚態(tài)物理系統(tǒng)中,科學(xué)家們也已經(jīng)學(xué)習(xí)希格斯玻色子或者希格斯模數(shù)十年,其具體表現(xiàn)形式為不同量子態(tài)(包括超導(dǎo)、超流及磁有序態(tài))中的序參量振幅模激發(fā)。希格斯模是連續(xù)對稱性自發(fā)破缺中的普適現(xiàn)象,伴隨著量子相變和量子臨界現(xiàn)象出現(xiàn)。量子臨界現(xiàn)象在物理學(xué)中普遍存在,其中普遍性表現(xiàn)在:一個由微觀的量子哈密頓量所描述的體系,在臨界點附近的行為卻完全被體系的宏觀性質(zhì)所決定(如體系和序參量的維度)。過去,在實驗中觀測量子相變十分困難,因為需要對溫度和量子調(diào)控參數(shù)在臨界點附近進(jìn)行精細(xì)調(diào)控;而通過實驗觀察希格斯模則更加困難,這是由于有質(zhì)量的希格斯?梢运ネ藶闆]有質(zhì)量的戈德斯通(Goldstone)模。近年來,在以TlCuCl3 為代表的二聚反鐵磁體中,發(fā)現(xiàn)了可以通過壓力精細(xì)調(diào)控的從二聚非磁態(tài) (Dimer-singlet) 到尼耳反鐵磁態(tài) (Néel antiferromagnet) 的量子相變,同時由于體系處于上臨界維度(upper critical dimension),希格斯模僅“局部”衰退為戈德斯通模,得以被實驗觀測。然而,由于希格斯模的譜寬和其能量正相關(guān),并且在上臨界維度時系統(tǒng)的臨界行為需要考慮對數(shù)修正,使得通過實驗數(shù)據(jù)定量地學(xué)習(xí)希格斯模仍然十分困難。
  中國科學(xué)院物理學(xué)習(xí)所/北京凝聚態(tài)國家實驗室(籌)凝聚態(tài)理論與材料計算實驗室T03組博士學(xué)習(xí)生秦彥齊、副學(xué)習(xí)員孟子楊,瑞士保羅謝爾學(xué)習(xí)所博士Bruce Normand和波士頓大學(xué)教授Anders W. Sandvik 組成的學(xué)習(xí)團(tuán)隊(下面簡稱該團(tuán)隊),運用大規(guī)模的量子蒙特卡洛模擬計算,在三維自旋1/2的二聚反鐵磁雙立方晶格體系中進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值學(xué)習(xí),對以上問題給出了回答。如圖1所示,三維自旋1/2的二聚反鐵磁雙立方晶格模型是對實驗上已經(jīng)細(xì)致地觀察到量子臨界行為的二聚反鐵磁體 TlCuCl_3的合理簡化,兩者都屬于3+1維的O(3)普適類,處在O(3) 反鐵磁海森堡模型的上臨界維度。在反鐵磁態(tài),體系的激發(fā)包括沒有質(zhì)量的戈德斯通模和有質(zhì)量的希格斯模,而在二聚非磁態(tài),體系則具有自旋三重態(tài)(triplet)激發(fā)。他們的計算證實了:1)希格斯模的量子臨界行為具有對數(shù)修正,并且和自旋三重態(tài)激發(fā)具有普適的根號2倍比例關(guān)系;2)希格斯模的能譜具有的臨界函數(shù)形式,其能量及其譜寬度符合量子場論的預(yù)期。
  對于第一個結(jié)論,在上臨界維度的量子臨界行為中,量子場論預(yù)言體系將在平均場的標(biāo)度性質(zhì)之上引入對數(shù)修正,這一修正是量子漲落和熱漲落的糾纏的體現(xiàn)。對這一問題的定量學(xué)習(xí)十分困難,因為對數(shù)修正要求極端接近相變點,需要嚴(yán)格控制誤差,包括對于相變點的確定和物理量外推到熱力學(xué)極限的精確外插。根據(jù)該團(tuán)隊之前工作的經(jīng)驗(Phys. Rev. B 92, 214401(2015)),他們進(jìn)行了大規(guī)模的量子蒙特卡洛模擬和高精度的有限尺度外插,不斷逼近量子臨界點,將他們之前對數(shù)修正的發(fā)現(xiàn)推廣到了動力學(xué)的性質(zhì)中,即3+1維的O(3)普適類的元激發(fā)的臨界行為也具有對數(shù)修正(圖2)。
  對于第二個結(jié)論,理論已經(jīng)推導(dǎo)出希格斯譜在量子相變點附近擁有普適的臨界形式,并且在相變點上能譜寬度與能量的比應(yīng)當(dāng)趨于0。對于數(shù)值計算來說,要獲得精確的能譜是十分困難的,這是因為能譜需要從蒙特卡洛數(shù)據(jù)中反解,而這一反解在對于有誤差的數(shù)據(jù)在數(shù)學(xué)上并沒有嚴(yán)格的形式,傳統(tǒng)的數(shù)值解法(如最大熵解析延拓)難以應(yīng)對像希格斯譜這樣較為復(fù)雜的能譜。該團(tuán)隊發(fā)展了一種新的隨機(jī)解析延拓方法來處理這一問題,這種隨機(jī)解析延拓過程本身就是馬爾科夫蒙特卡洛過程,其解析能力獲得了顯著的提高,從自旋關(guān)聯(lián)函數(shù)和二聚體關(guān)聯(lián)函數(shù)中都延拓出了希格斯譜,不僅相互吻合,并且其臨界形式都符合理論預(yù)期,尤其是臨界區(qū)的結(jié)果和實驗十分一致(圖3)。該團(tuán)隊開發(fā)的隨機(jī)解析延拓方法,本身也是學(xué)習(xí)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)譜學(xué)性質(zhì)的有力工具,在今后的學(xué)習(xí)中,可以與角分辨光電子譜、中子散射能譜、RIXS譜等實驗手段結(jié)合,應(yīng)用前景廣泛。
  這一工作對于驗證量子相變理論,指導(dǎo)二聚反鐵磁體的進(jìn)一步實驗都有現(xiàn)實的意義。從量子蒙特卡洛模擬角度來看,也為在后續(xù)的工作中,如何提高解析延拓的準(zhǔn)確性,從而可以更好地分析模型的動力學(xué)性質(zhì),起到了范式作用。該工作已被物理評論快報(Physics Review Letters)接收,近期內(nèi)將會發(fā)表。
  上述工作得到了國家青年千人計劃、國家自然科學(xué)基金和國家基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)習(xí)計劃 (秦彥齊、孟子楊)、中科院、波士頓大學(xué)以及美國國家自然科學(xué)基金和Simons基金會Anders Sandvik的支持。量子蒙特卡洛模擬所需的大規(guī)模的并行計算在天津國家超算中心天河1號平臺上完成,計算過程中得到了天津國家超算中心的有力配合。

  圖1:二聚反鐵磁體的相圖與元激發(fā)。立方晶格之內(nèi)的反鐵磁相互作用為J, 立方之間的反鐵磁相互作用為J’,g=J'/J 是調(diào)控系統(tǒng)量子相變的參數(shù)。gg_c 時系統(tǒng)為尼耳反鐵磁態(tài)(Néel antiferromagnet),gg_c 時系統(tǒng)為二聚自旋單態(tài) (Dimer singlet)。在反鐵磁態(tài),系統(tǒng)的激發(fā)包括沒有質(zhì)量的戈德斯通模和有質(zhì)量的希格斯模,而在二聚自旋單態(tài),體系則具有自旋三態(tài)激發(fā)。

  圖2:希格斯模(Delta_H)和自旋三態(tài)激發(fā)(Delta_T)隨著量子相變調(diào)控參數(shù) (g=J’/J) 在g 逐步逼近量子臨近點 g_c 的過程中的演變。藍(lán)色的點為蒙特卡洛模擬的自旋三態(tài)激發(fā)能,紅色的線是平均場理論的擬合,藍(lán)色的實線是考慮了對數(shù)修正后的理論擬合,數(shù)據(jù)點明顯偏離平均場而符合對數(shù)修正的預(yù)言。藍(lán)色的虛線是對數(shù)修正理論預(yù)言放大根號2倍的結(jié)果,通過了蒙特卡洛模擬的希格斯模綠色數(shù)據(jù)點,說明希格斯模的量子臨界行為也有對數(shù)修正,并且和自旋三態(tài)激發(fā)能具有根號2倍的普適比例關(guān)系。

  圖3:(a)自旋關(guān)聯(lián)函數(shù)得到的希格斯譜的普適臨界行為,(b)二聚體關(guān)聯(lián)函數(shù)得到的希格斯譜的普適臨界行為。通過對譜函數(shù)的重新標(biāo)度,與相變點不同距離的譜函數(shù)堆疊在一起,驗證了希格斯譜在量子相變點附近擁有普適的臨界形式。(c)能譜寬度與能量的比的有限尺度外插,其中sigma_s/Delta_H由自旋關(guān)聯(lián)函數(shù)得到,外插值在0.15左右,和實驗相一致。

物理所等運用大規(guī)模量子蒙特卡洛模擬研究希格斯振幅模  |  責(zé)任編輯:蟲子
返回頂部