最近发现中文做笔记特别快,分享一下,但愿有用。 量子霍尔效应 David Tong 我们首先要考虑一下经典力学如何解释金属的电阻的,阻力应该来自于碰撞。平均碰撞时间越长,导电性越好。你总是可以把它唯象地写出来。然后我们再加上磁场,你仍然可以写出一个方程。这个方程忽略了材料中的势能,想象一下,电子是不可能跑到材料外面的。然后你会惊讶地发现,如果碰撞时间无穷长的话,xx方向的电导是零,这是由于磁场造成的效应。然后我们可以研究一下这个问题的量子版本。首先考虑没有电场的情况,因为我们想研究的是电导,也就是对电场的响应,总是可以假设电场是很小的,我们只需要把哈密顿量写出来,然后用代数的方法就可以看出其本征值和谐振子是一样的。然后我们可以讨论简并度。这里关键的东西在于,如果取朗道gauge的话,电子的波函数是带状的,我们要求它的中心不会跑到材料外面,就会发现每个朗道能级都会有同样一个简并度。在整数霍尔效应中,我们可以发现哪些平台正好对应着正好占满v个朗道能级,这时候电子不容易激发上去,宏观来看,碰撞时间是无穷场。xx方向的电导是无穷长,整数霍尔效应效应可以用无相互作用的模型解释。当有电场的时候,简并的情况可以缓解。不过我们的模型太理想化了,实际的样品总是会有点杂质的,也就是有disorder的。无序首先会让简并的朗道能级散开,其次是可能会形成一些局域化的态,我们可以做一个半经典的分析。 首先考虑一下Berry相,我们考虑一个带参量lambda的哈密顿量,并且假设他是gaped,我们缓慢地改变lambda,在这个过程中避免发生能级交错。然后我们回到初始条件,那么基态波函数应该会回到自己,可能会差一个相位。我们考虑参数是随着时间缓慢变化的,这样就可以写出薛定谔方程,我们得选取一个参考的态,它的相位是我们任意给定的。那么任何一个解psi与参考态只会差一个依赖于时间的相位因子U。可以选择最开始的时候,psi的相位与参考态一样,对psi的时间求导可以方便地用链式法则,你就会得到U star U dot怎样依赖于参考态和lam。这样就可能自然地定义联络,然后把转回来差的相位写成一个积分。相位只会依赖于我们选择的路径与参考态。参考态究竟要如何选择呢?我们需要证明相位差和参考态的选择无关。如果我们选择不同的参考态,你会发现Berry联络只会差一个规范变换,所以相位不会改变。所以Berry相是不依赖与参考态的选择的。我们的具体做法是写出带参量的哈密顿量,然后计算他的基态,选择一个参考态n,n是lambda的函数。用berry相可以自然解释诸如AB效应这样的东西,因为粒子可以装在一个box里面,然后绕着一个螺线管转一圈,相位差正比于磁通。我们考虑一个螺线管,那它就会产生z方向的磁场,如果一个电子在螺线管外面的一个固定半径的圆上运动的话,那容易看出它的能谱正比于(n加磁通)的平方,因此如果磁通是量子的,则能谱不会发生改变。如果我们把磁通从零开始调,增加到某个量子磁通的时候,就会发现体系的波函数应该转回去,不过可能差一个相位。