BdG系统的对称类:Class C和CI

我们现在研究由于$SU(2)$自旋旋转对称而不是$S_z$守恒的约束。一个绕轴$\mathbf{n}$旋转$\phi$的自旋转动$\mathcal{U}_{\mathbf{n}}^\phi$作用在二分量旋量上为

\begin{pmatrix}
        \psi_\uparrow\\
        \psi_\downarrow\\
    \end{pmatrix}\rightarrow\mathcal{U}_{\mathbf{n}}^\phi\begin{pmatrix}
        \psi_\uparrow\\
        \psi_\downarrow
    \end{pmatrix},\quad \mathcal{U}_{\mathbf{n}}^{\phi}=e^{-i\frac{\phi}{2}\mathbf{\sigma}\cdot\mathbf{n}}

绕$S_x,S_y$方向的转动$\phi$的变换为

\mathcal{U}_{S_x}^\phi\begin{pmatrix}
        \psi_{\uparrow}\\
        \psi_{\downarrow}
    \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
        \cos\frac{\phi}{2}&-i\sin\frac{\phi}{2}\\
        -i\sin\frac{\phi}{2}&\cos\frac{\phi}{2}
    \end{pmatrix}\begin{pmatrix}
        \phi_\uparrow\\
        \phi_\downarrow
    \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
        \cos\frac{\phi}{2}\psi_\uparrow-i\sin\frac{\phi}{2}\psi_\downarrow\\
        -i\sin\frac{\phi}{2}\psi_\uparrow+\cos\frac{\phi}{2}\psi_\downarrow
    \end{pmatrix}
\mathcal{U}_{S_y}^\phi\begin{pmatrix}
        \phi_\uparrow\\
        \phi_\downarrow
    \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
        \cos\frac{\phi}{2}&-\sin\frac{\phi}{2}\\
        \sin\frac{\phi}{2}&\cos\frac{\phi}{2}
    \end{pmatrix}\begin{pmatrix}
        \phi_\uparrow\\
        \phi_\downarrow
    \end{pmatrix}=\begin{pmatrix}
        \cos\frac{\phi}{2}\psi_\uparrow-\sin\frac{\phi}{2}\psi_\downarrow\\
        \sin\frac{\phi}{2}\psi_\uparrow+\cos\frac{\phi}{2}\psi_\downarrow
    \end{pmatrix}

我们有SU(2)下,各个费米子算符变换形式

\begin{split}
        &\mathcal{U}_{S_x}^\phi\psi_\uparrow\mathcal{U}_{S_x}^{-\phi}=\cos\frac{\phi}{2}\psi_\uparrow-i\sin\frac{\phi}{2}\psi_\downarrow\\
        &\mathcal{U}_{S_x}^\phi\psi_\downarrow\mathcal{U}_{S_x}^{-\phi}=-i\sin\frac{\phi}{2}\psi_\uparrow+\cos\frac{\phi}{2}\psi_\downarrow\\
        &\mathcal{U}_{S_x}^\phi\psi_\uparrow^\dagger\mathcal{U}_{S_x}^{-\phi}=\cos\frac{\phi}{2}\psi_\uparrow+i\sin\frac{\phi}{2}\psi_\downarrow\\
        &\mathcal{U}_{S_x}^\phi\psi_\downarrow^\dagger\mathcal{U}_{S_x}^{-\phi}=i\sin\frac{\phi}{2}\psi_\uparrow+\cos\frac{\phi}{2}\psi_\downarrow
    \end{split}
\begin{split}
        &\mathcal{U}_{S_y}^\phi\psi_\uparrow\mathcal{U}_{S_y}^{-\phi}=\cos\frac{\phi}{2}\psi_\uparrow-\sin\frac{\phi}{2}\psi_\downarrow\\
        &\mathcal{U}_{S_y}^\phi\psi_\downarrow\mathcal{U}_{S_y}^{-\phi}=\sin\frac{\phi}{2}\psi_\uparrow+\cos\frac{\phi}{2}\psi_\downarrow\\
        &\mathcal{U}_{S_y}^\phi\psi_\uparrow^\dagger\mathcal{U}_{S_y}^{-\phi}=\cos\frac{\phi}{2}\psi_\uparrow-\sin\frac{\phi}{2}\psi_\downarrow\\
        &\mathcal{U}_{S_y}^\phi\psi_\downarrow^\dagger\mathcal{U}_{S_y}^{-\phi}=\sin\frac{\phi}{2}\psi_\uparrow+\cos\frac{\phi}{2}\psi_\downarrow
    \end{split}

所以我们有

\mathcal{U}_{S_x}^\phi\Psi\mathcal{U}_{S_x}^{-\phi}=\mathcal{U}_{S_x}^\phi\begin{pmatrix}
        \psi_\uparrow\\
        \psi_\downarrow^\dagger
    \end{pmatrix}\mathcal{U}_{S_x}^{-\phi}=\begin{pmatrix}
        \cos\frac{\phi}{2}\psi_\uparrow-i\sin\frac{\phi}{2}\psi_\downarrow\\
        i\sin\frac{\phi}{2}\psi_\uparrow^\dagger+\cos\frac{\phi}{2}\psi_\downarrow^\dagger
    \end{pmatrix}=\cos\frac{\phi}{2}\Psi-i\sin\frac{\phi}{2}\Psi^c
\mathcal{U}_{S_y}^\phi\Psi\mathcal{U}_{S_y}^{-\phi}=\mathcal{U}_{S_y}^\phi\begin{pmatrix}
        \psi_\uparrow\\
        \psi_\downarrow^\dagger
    \end{pmatrix}\mathcal{U}_{S_y}^{-\phi}=\begin{pmatrix}
        \cos\frac{\phi}{2}\psi_\uparrow-\sin\frac{\phi}{2}\psi_\downarrow\\
        \sin\frac{\phi}{2}\psi_\uparrow^\dagger+\cos\frac{\phi}{2}\psi_\downarrow^\dagger
    \end{pmatrix}=\cos\frac{\phi}{2}\Psi-\sin\frac{\phi}{2}\Psi^c

这样$\mathcal{U}_{S_x}^\phi$和$\mathcal{U}_{S_y}^\phi$把$\Psi$光滑的转动到$\Psi^c$. 特别地是绕$S_x$或者$S_y$转动$\pi$的作用为一个分离的PH变换,$\Psi\rightarrow-i\Psi^c$或者$\Psi\rightarrow-\Psi^c$. 也就是说,如果我们把方程\eqref{class a}解释为粒子数守恒的系统,那么$\mathcal{U}_{S_i}^\pi S_z\mathcal{U}_{S_i}^{-\pi}=-S_z,(i=x,y)$可以被视为一个电荷共轭$\mathcal{C} Q\mathcal{C}^{-1}=-Q$. $\pi$的旋转$\mathcal{U}_{S_i}^\pi$是PH变换的一个例子,它的平方等于$-1$. 与$Class D$的PH变换相反。对于单粒子哈密顿$H$,$\pi$的旋转对称$\mathcal{U}_{S_i}^\pi$导出条件

\rho_2H^T\rho_2=-H

简单推导一下

不失一般性,假设哈密顿有绕$S_x$轴转动$\pi$的对称性. 

\begin{split}
            \hat{H}&=\mathcal{U}_{S_x}^\pi\hat{H}\mathcal{U}_{S_x}^{-\pi}=i(\Psi^{c})^\dagger \mathcal{U}_{S_x}^\pi H\mathcal{U}_{S_x}^{-\pi}(-i\Psi^c)\\
            &=-i\rho_2(\Psi)^T\mathcal{U}_{S_x}^\pi H\mathcal{U}_{S_x}^{-\pi}i\rho_2(\Psi^\dagger)^T\\
            &=(\Psi^T)\rho_2H\rho_2(\Psi^\dagger)^T\\
            &=-\Psi^\dagger \rho_2H^T\rho_2\Psi=\Psi^\dagger H\Psi
        \end{split}

所以得到$\rho_2^TH^T\rho_2=-H$

满足这个条件的哈密顿集合叫做Class C

我们注意到对于哈密顿二次型,$\pi-$转动对称$\mathcal{U}_{S_i}^\pi$的守恒实际上对应一个全体的$SU(2)$自旋转动对称。这是由于对于任意绕$S_x$或$S_y$的SU(2)转动,哈密顿$\hat{H}$是$\Psi^\dagger H\Psi$和$\Psi^{c\dagger}H\Psi^c$的叠加

\begin{split}
        \Psi&\rightarrow\cos\frac{\phi}{2}\Psi-i\sin\frac{\phi}{2}\Psi^c\\
        \Psi^\dagger&\rightarrow\cos\frac{\phi}{2}\Psi^\dagger+i\sin\frac{\phi}{2}\Psi^{c\dagger}\\
        \hat{H}=\Psi^\dagger H\Psi&\rightarrow\cos^2\frac{\phi}{2}\Psi^\dagger H\Psi+\sin^2\frac{\phi}{2}\Psi^{c\dagger}H\Psi^{c}
    \end{split}

这里$\Psi^\dagger H\Psi^c=\Psi^{c\dagger}H\Psi=0$(自旋$\frac{1}{2}$系统的Kramers简并)。由于

\Psi^{c\dagger}H\Psi^c=-i\rho_2\Psi^THi\rho_2(\Psi^\dagger)^T=\Psi^T\rho_2 H\rho_2(\Psi^\dagger)^T=-\Psi^\dagger\rho_2 H^T\rho_2\Psi=\Psi^\dagger H\Psi

所以我们得到

\hat{H}=\Psi^\dagger H\Psi\xrightarrow{SU(2)}\cos^2\frac{\phi}{2}\Psi^\dagger H\Psi+\sin^2\frac{\phi}{2}\Psi^{c\dagger}H\Psi^{c}=\Psi^\dagger H\Psi=\hat{H}

BdG哈密顿在全部的$SU(2)$自选转动对称下是不变的

最后在$S_z$守恒的系统里添加$TRS$会导致$\Psi^\dagger H\Psi\xrightarrow{\mathcal{T}}\Psi^T\rho_2H^*\rho_2(\Psi^\dagger)^T=-\Psi^\dagger\rho_2 H^\dagger\rho_2\Psi=H$

得到$\rho_2H^\dagger\rho_2=-H$. 结合PHS可以得到

\rho_2 H^T\rho_2=-H,H^*=H

这定义了Class CI

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