量子物質態(quantum matter)簡介

 

我們的團隊主要研究方向是量子多體系統中糾纏態的各種性質。我有興趣的方向包含從抽象端糾纏態的穩定性、對稱性分類到材料端量子糾纏態如何實現、穩定、量測、操作以及動力學的各種機制的探索。以理論分析為主要研究主軸,也需要一定程度的數值模擬。有興趣的研究主題包含阻挫系統、量子物質的拓樸態研究、多體局域化行為以及強關聯多體量子動力學。

這段話對於不熟悉我研究的同學來說,應該還是很抽象,所以我決定寫一系列的半科普文章來介紹這個領域。讓有興趣的同學有個大概的了解。所以準備在這個Blog開始這個計畫。一方面介紹自己的研究和思路。第二方面是我在發展過程中,在很多物理學家的Blog受益良多,雖然我大部分時間都在潛水,但是他們分享教學、人生經驗和學術品味上,我相信對這個世界有極大的助益。我也相信,寫有意義的文章可以有長時間的影響力,就像那些突破重要問題的科學家一樣。第三是我覺得相關領域很多有趣的想法,在還沒跨過一些背景知識前,很難被欣賞。希望可以藉由一些文字幫助跨越這些背景知識。也檢視自己對這些想法的理解。除基礎介紹外,我也會提供相關的文獻出處,幫助想進入這個領域的學生或博士後,如有缺漏請讀者不吝指教。

如果我是學生,對於這個領域我可能會想問以下問題:

  1. 什麼是量子物質?量子多體系統是什麼?什麼是量子糾纏態?他有什麼有趣的?什麼是已經知道的?什麼是還不知道還有機會的?
  2. 對什麼東西穩定?對稱性分類是在分類什麼對象?如果實現上有困難,為什麼會有人想實現它?在宏觀的科學脈絡上,這類糾纏態的概念為什麼重要?
  3. 為什麼我們在意怎麼操作它?這個和拓樸有什麼關係?拓樸聽起來很純數,怎麼會需要數值模擬?阻挫系統是什麼?多體局域化是什麼現象?為什麼和量子動力學扯上關係?

我計畫把我覺得以下重要的概念的邏輯進程串起來:

  1. 引言:古典系統與量子系統
    • 古典與量子的本質差別:組態與量子態
    • 線性疊加與量子糾纏
    • 從無到有:結構上的不同與可能的應用。
  2. 從還原論與湧現論開始:等效理論、多體系統、湧現現象
    • More is different… but why?
    • 多體?很多顆在一起就叫多體?
    • 等效理論大觀園-熱力學、流體力學、費米液體、湧現規範場論
  3. 物質態:對稱性與朗道的相變理論
    • 朗道相變理論的精神:對稱性以及序參量
    • 挑戰朗道理論的可能性?隱藏序?定義挑戰朗道理論?
  4. 量子物質態:有能隙系統和無能隙系統
    • 單體能隙以及多體能隙
    • 為什麼能隙的有無重要,能隙扮演什麼樣的角色?
    • 拓樸態?什麼東西的拓樸?
  5. 最簡單的多體量子糾纏:一維系統
    • 『最簡單但是非顯然』的精神
    • 有效描述一維量子糾纏的語言:Matrix Product State (MPS)
  6. 結語:量子糾纏的圖案-二維以上以及無能隙系統的挑戰

希望這個系列的文章會對社群有所助益。