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Lieb-Schultz-Mattis ingappabilities and critical-phase classification based on anomaly

姚, 元 東京大学 DOI:10.15083/0002006287

2023.03.24

概要

論文審査の結果の要旨
氏名  姚



量子多体系の相は、その基底状態や低エネルギー励起の性質によって大き
く二つに分類される。無限体積極限において、系の基底状態の上に有限の励
起ギャップをもつ場合を gapped 系、連続的な励起が存在する場合を gapless
系という。gapped 系はさらに、基底状態が唯一である場合と縮退している
場合に分けられる。相互作用する量子多体系が gapped 系か gapless 系かを
判定することは一般には難しい問題であるが、空間 1 次元の量子系につい
ては、Lieb-Schultz-Mattis (LSM) の議論を用いることで強い拘束条件が課
されることが古くから知られている。例えば、粒子数が保存し、離散的並
進対称性のある系で、単位胞あたりの粒子数が非整数の場合には、基底状
態が唯一の gapped 系であることは許されない。(これを ingappability と呼
ぶ。)近年では、この議論の 2 次元以上への拡張や、場の理論のアノマリー
の観点からの研究も盛んに行われている。本論文はこのような背景のもと、

SU(N ) 対称性のある量子スピン系の基底状態および低エネルギー励起の性
質を LSM の議論およびアノマリーの観点から調べたものである。特に空間
1 次元の微視的な格子模型における対称性が、低エネルギー励起を記述する
(1 + 1) 次元の共形場の理論の候補を制限することを明らかにした。さらに、
その物理的帰結が、相関関数にも表れることを議論している。
本論文は英文で、5 章と付録からなる。第 1 章は序論で、研究背景と目的、
および本論文の構成について述べられている。まず、上述の量子多体系に
おける gapped 相、gapless 相および ingappability の概念を導入し、さらに

LSM の議論の帰結、つまり G 対称な格子模型の ingappability は、低エネル
ギー有効場の理論の G アノマリーと関係することを一般的に述べている。
続いて、SU(N ) 対称性をもつ量子スピン系やその低エネルギー有効場の理
論を調べる動機について述べられている。
第 2 章では、まず空間1次元の場合の LSM の定理の押川による証明(flux

insertion argument)および ’t Hooft アノマリーと LSM の定理の関係につ
いてレヴューしている。重要となるのは、アノマリーインフローの考え方で
ある。これにより、系の ingappability は、その系を境界とする高次元空間
のバルクの場の理論の非自明なアノマリーの帰結であることが分かる。ま
1

た、LSM の定理と離散的カイラル・アノマリーとの関係についても具体的
に議論している。第 2 章の最後では、ヤング図で与えられる (0+1) 次元の

SU(N ) スピン系をアノマリーの観点から考察し、N がヤング図の箱の個数
b の約数でない場合には ingappable であること、つまり基底状態が縮退して
いることを示している。
第 3 章、第 4 章の内容が、本論文の主要結果である。第 3 章では、まず

SU(N ) 対称性をもつ反強磁性 Heisenberg スピン鎖で最も単純な場合 (基本
表現) のハミルトニアンを導入し、その連続極限がレベル 1 の Wess-ZuminoWitten (WZW) 模型であることを議論する。続いて、より複雑な場合の連
続極限も含む SU(N ) レベル k WZW 模型を導入し、そのカイラル・アノマ
リーを議論する。その結果、単位胞に含まれるヤング図の箱の総数 b が N
で割り切れない場合、LSM 指数が非自明となることを示している。またそ
の場合には、(1) 系は gapped で、基底状態の縮退度は N/gcd(b, N ) の倍数、
あるいは (2) 系は gapless である。また、対応する低エネルギー有効場の理
論が SU(N ) レベル k の WZW 模型で与えられる場合、km = b mod N であ
る、という結論が得られる。これらは SU(N ) スピン鎖に対して知られてい
た、LSM 型の結果を精緻化したものと見なせる。また、微視的模型の対称
性がレベル k の可能な値に制限を付けることを明らかにしている。さらに、
WZW 模型に基づいて、スピン鎖のスピン・スピン相関関数を計算し、その
べき η に k の情報が現れることを議論してる。第 3 章の最後では、LSM 指
数が、モデルのパラメターの調整により対称性が高くなる場合についても、
有効場の理論の候補に制限を与えることを議論している。
第 4 章では、これまでの議論の高次元への拡張が議論されている。まず
「傾いた境界条件」というものを導入し、従来の高次元における LSM 型の議
論を見通しよく行っている。続いて、高次 LSM 定理を証明し、アノマリー
の観点からも議論した後に、SU(N ) 対称性をもつ高次元の量子スピン系に
対する LSM 定理を示している。第 4 章の最後では、傾いた境界条件の別の
応用として、ZN × ZN などの離散的な対称性のみを持つ場合への LSM 型の
定理の拡張を議論している。
最後に第 5 章では、論文全体のまとめと結論が述べられている。付録は A
からなり、本文中の議論に必要な公式の証明などにあてられている。
2

以上のように、本論文は SU(N ) 対称性をもつ量子スピン系の基底状態およ
び低エネルギー励起の性質について、LSM の定理や有効場の理論における
アノマリーの観点から得られる結果を総合的に議論している。特に、SU(N )
スピン鎖に対する結果は、格子模型に対する LSM 型の議論により得られて
いた既存の結果の拡張になっている。また、傾いた境界条件と呼ばれる新
しい境界条件を導入することで、LSM 型の議論の高次元への拡張の見通し
の良い道筋を与えた意義も大きい。得られた結果は今後の理論的・実験的
研究を刺激することが期待される。よって本論文は、学位論文として十分
な内容を持つものと審査委員全員が認めた。なお、本論文の結果は押川正
毅氏、Chang-Tse Hsieh 氏との共同研究に基づいているが、論文提出者が主
体となって問題設定と定式化、解析及び結果の検討を行ったもので、論文
提出者の寄与が十分であると判断する。
したがって、博士(理学)の学位を授与できると認める。

3

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