Symmetry protected topological orders and the group cohomology of their symmetry group
Notice bibliographique
Résumé
Symmetry protected topological (SPT) phases are gapped short-range-entangled quantum phases with a symmetry $G$. They can all be smoothly connected to the same trivial product state if we break the symmetry. The Haldane phase of spin-1 chain is the first example of SPT phases which is protected by $\mathit{SO}(3)$ spin rotation symmetry. The topological insulator is another example of SPT phases which are protected by $U(1)$ and time-reversal symmetries. In this paper, we show that interacting bosonic SPT phases can be systematically described by group cohomology theory: Distinct $d$-dimensional bosonic SPT phases with on-site symmetry $G$ (which may contain antiunitary time-reversal symmetry) can be labeled by the elements in ${\mathcal{H}}^{1+d}[G,{U}_{T}(1)]$, the Borel $(1+d)$-group-cohomology classes of $G$ over the $G$ module ${U}_{T}(1)$. Our theory, which leads to explicit ground-state wave functions and commuting projector Hamiltonians, is based on a new type of topological term that generalizes the topological $\ensuremath{\theta}$ term in continuous nonlinear $\ensuremath{\sigma}$ models to lattice nonlinear $\ensuremath{\sigma}$ models. The boundary excitations of the nontrivial SPT phases are described by lattice nonlinear $\ensuremath{\sigma}$ models with a nonlocal Lagrangian term that generalizes the Wess-Zumino-Witten term for continuous nonlinear $\ensuremath{\sigma}$ models. As a result, the symmetry $G$ must be realized as a non-on-site symmetry for the low-energy boundary excitations, and those boundary states must be gapless or degenerate. As an application of our result, we can use ${\mathcal{H}}^{1+d}[U(1)\ensuremath{\rtimes}{Z}_{2}^{T},{U}_{T}(1)]$ to obtain interacting bosonic topological insulators (protected by time reversal ${Z}_{2}^{T}$ and boson number conservation), which contain one nontrivial phase in one-dimensional (1D) or 2D and three in 3D. We also obtain interacting bosonic topological superconductors (protected by time-reversal symmetry only), in term of ${\mathcal{H}}^{1+d}[{Z}_{2}^{T},{U}_{T}(1)]$, which contain one nontrivial phase in odd spatial dimensions and none for even dimensions. Our result is much more general than the above two examples, since it is for any symmetry group. For example, we can use ${\mathcal{H}}^{1+d}[U(1)\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{Z}_{2}^{T},{U}_{T}(1)]$ to construct the SPT phases of integer spin systems with time-reversal and $U(1)$ spin rotation symmetry, which contain three nontrivial SPT phases in 1D, none in 2D, and seven in 3D. Even more generally, we find that the different bosonic symmetry breaking short-range-entangled phases are labeled by the following three mathematical objects: $({G}_{H},{G}_{\ensuremath{\Psi}},{\mathcal{H}}^{1+d}[{G}_{\ensuremath{\Psi}},{U}_{T}(1)])$, where ${G}_{H}$ is the symmetry group of the Hamiltonian and ${G}_{\ensuremath{\Psi}}$ the symmetry group of the ground states.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,002 |
| Communication savante | 0,001 | 0,003 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,004 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».