大阪大学での集中講義 (記録) / Lecture series at U Osaka
公開: 2015年7月29日 / 最終更新日: 2015年9月12日
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講義ノートを最新版と差し替えました(9/12)
おかげさまで、集中講義は無事に終了しました。すばらしい聴き手に恵まれ、また、私自身ほぼ思い描いていた通りの構成で三日間の講義を終えて、たいへん満足しています。
集中講義を可能にしてくださったすべてのみなさん、そして、集中講義に参加してくださったみなさんに心から感謝いたします。
以下は、記録として残しておきます。
以下のような集中講義をおこないます。
題材は(広い意味での)磁性が中心ですが、(非相対論的な)大自由度量子系の非自明な物理を理解する営みの最良の到達点のいくつかを描き出すことを目指します。
興味をお持ちの方の参加を歓迎します(と、ぼくが書いていいのかどうかしらないけど、歓迎します)。
I will give a series of lectures at U Osaka. The topics are mainly from magnetism (in the broad sense), but my goal is to illustrate some of the best results in our attempt to understand nontrivial physics in (non-relativistic) many-body quantum systems. Anybody is welcome (at leas for me).
大自由度量子系の物理と数理 / Physics and Mathematics of Many Body Quantum Systems
田崎晴明 / Hal Tasaki
2015 年 9 月 9 日(水)、10 日(木)、11 日(金)13:00 〜 おわるまで(休憩は随時)
September 9, 10, and 11, from 13:00 till the end (with some intermissions)
大阪大学(豊中キャンパス)理学研究科 D 棟 D303 D501 号室(教室を変更しました)
the University of Osaka (Toyonaka campus), Faculy of Science D303
記号と記法のまとめ(2015年8月28日改訂)事前に簡単に目を通しておいてください)
Summary of symbols and notations (Revised: Aug. 28, 2015) Please take a look before the lectures.
講義ノート(手書き)/ hand written lecture notes (pdf, 3-4 MB): DAY1, DAY2, DAY3
(講義ノートくを修正版と差し替えました。問題が変わっているので注意してください。The notes have been replaced by slightly revised versions. Please be aware that the problems are changed.)
量子系において数多くの自由度の相互作用によって生じる非自明な現象の理論的・数理的な解析について講義する。主に、量子スピン系の反強磁性ハイゼンベルク模型(とその変種)、(冷却原子系のモデルとされる)格子上のボース多体系、固体電子系のハバード模型を題材にして、対称性の自発的破れ、基底状態での量子ゆらぎ、強磁性の発現などの現象を扱う。相互作用する大自由度量子系の本質を描き出すことを目指して講義したい。
I will discuss such typical many body systems as the Heisenberg model (and its variants), many-boson systems on a lattice (a model for cold atoms in a trap), and the Hubbard model, focusing on nontrivial physical phenomena including spontaneous symmetry breaking, quantum fluctuation in ground states, and the generation of ferromagnetism.
日本語で話し英語で板書をする予定。
The plan is that I speak in Japanese and write in English (on the blackboard). Questions/discussions in English are welcome.
成績評価について
講義中に出題する問題の中から、二、三題についてレポートを提出してもらう。問題は基本的な理解を試すようなものにしようと思う。
About grading
You are supposed to solve two or three from the problems that I will present during the class. The problems will be of elementary nature.
Prerequisites
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Elementary statistical mechanics and elementary quantum mechanics
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Basic picture about the ferromagnetic phase transition
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Basics about quantum mechanical spin operators
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Basics about creation and annihilation operators, both bosonic and fermionic
Plan of the lectures
DAY 1: Long-range order (LRO) and spontaneous symmetry breaking (SSB) in nonrelativistic quantum systems
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Some facts from the ferromagnetic phase transitions
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LRO and SSB in the ground state of quantum spin systems
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Some elementary linear algebra
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Quantum spin systems --- general definitions and properties
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Ferromagnetic Heisenberg model
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Antiferromagnetic (AF) Heisenberg model (Marshall-Lieb-Mattis theorem)
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LRO in the ground state of the Heisenberg AF in \(d\ge2\) (Dyson-Lieb-Simon theorem and extensions)
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From LRO to SSB --- Ising model under transverse magnetic field
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From LRO to SSB (Kaplan-Horsch-von der Linden theorem)
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From LRO to SSB in systems with a continuous symmetry (Koma-Tasaki theorem)
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Very short remarks about the ground states for the infinite system
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Very short remarks about phase transition, LRO and SSB in the AF Heisenberg model at nonzero temperatures (Dyson-Lieb-Simon and Koma-Tasaki theorems)
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LRO and SSB associated with the Bose-Einstein condensation
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Lattice boson system
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Off-diagonal LRO
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Low-lying states with explicit symmetry breaking
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Physical "SSB" in a coupled system
DAY 2: "Quantum spin liquid" in the ground states of low dimensional quantum spin systems
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Haldane conjecture and related results
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Haldane conjecture
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Theorem which rules out "unique ground state + gap" (Lieb-Scultz-Mattis thoerem, and its extensions by Affleck-Lieb)
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Initial (personal) thoughts --- Semi-classical approach
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AKLT (Affleck-Kennedy-Lieb-Tasaki) model and the VBS picture
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AKLT model for \(S=1\)
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VBS (valence-bond-solid) state
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VBS state in the standard basis --- hidden antiferromagnetic order
(quick introduction to MPS (matrix product sates))
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VBS states on open chains --- edge states
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VBS picture
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Haldane phase
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Haldane conjecture for the \(S=1\) Heisenberg antiferromagnetic chain
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The model with anisotropy
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Peculiar features of the Haldane phase
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Non-local unitary transformation and the hidden \(\mathbb{Z}_2\times\mathbb{Z}_2\) symmetry breaking (Kennedy, Tasaki)
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Some related issues (very briefly!)
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Stability of the Haldane phase (symmetry protected "topological" order)
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VBS states in higher dimensions
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remarks about "states vs. Hamiltonian"
DAY 3: The origin of magnetism and the Hubbard model --- constructive condensed matter physics
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Hubbard model
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Operators and states
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Hopping Hamiltonian
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Interaction Hamiltonian
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Hubbard model
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Half filled system
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Limitting cases
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Perturbation
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Lieb's theorem
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Towards ferromagnetism
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Toy model with three sites
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Nagaoka-Thouless ferromagnetism (briefly, if possible)
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Flat-band ferromagnetism
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Model and main theorem
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Special properties of the model
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Proof
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Some remarks
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Ferromagnetism in a non-singular Hubbard model
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Metallic ferromagnetism
Useful references available (to anyone!) on the web
DAY 1
T. Koma and H. Tasaki, Symmetry Breaking and Finite Size Effects in Quantum Many-Body Systems
DAY 2
I. Affleck, T. Kennedy, E.H. Lieb, and H. Tasaki, Valence bond ground states in isotropic quantum antiferromagnets
田崎晴明『量子スピン系の理論:Haldane Gap, Disordered Ground States, Quantum Spin Liquid and All That in Quantum Spin Systems』
DAY 3
H. Tasaki, From Nagaoka's Ferromagnetism to Flat-Band Ferromagnetism and Beyond: An Introduction to Ferromagnetism in the Hubbard Model
言うまでもないことかもしれませんが、私の書いたページの内容に興味を持って下さった方がご自分のページから私のページのいずれかへリンクして下さる際には、特に私にお断りいただく必要はありません。
田崎晴明
学習院大学理学部物理学教室
田崎晴明ホームページ
hal.tasaki@gakushuin.ac.jp