Topological charges and soliton excitations protected by simmetries

2018 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 26400260
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Research Field: Particle/Nuclear/Cosmic ray/Astro physics
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: Ezawa Zyun Francis 国立研究開発法人理化学研究所, 仁科加速器科学研究センター, 客員研究員 (90133925)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: トポロジカル量子数 / トポロジカル励起 / 場の量子論 / 対称性 / 量子ホール効果 / ゴールドストーン粒子 / スカーミオン

Outline of Final Research Achievements

First, I investigated "symmetry protected topological systems". This concept was obtained from a development of topological insulators, while the latter concept was born from the study of quantum Hall systems. Indeed, the quantum Hall system is the first example of topological insulators. I explored the physics of Goldstone modes and topological solitons in these systems by formulating the associated topological charges and their conservation rules. I also studied how various properties of topological solitons change when the symmetry is broken. Next, I carried out my long-standing investigation of bilayer quantum Hall systems. In particular, analyzing the interaction between Goldstone modes and nuclear spins, I have derived the Dicke model familiar in quantum optics. I predicted that phenomena analogous to superradiance will be observed experimentally in the relaxation process of nuclear spins in the canted antiferromagnetic phase of the bilayer quantum Hall system.

Free Research Field

素粒子理論、物性理論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

トポロジカル絶縁体やエニオン量子計算機の概念は量子ホール効果の研究から発生している。今回の研究成果はトポロジカル量子物理の研究に新たな知見として寄与する。これが学術的意義であり、長期的視野で見た時の社会的意義である。さて、研究代表者は学術出版で国際的に著名なWorld Scientific社から量子ホール効果の教科書「Quantum Hall Effects」を出版している。ベストセラーとして、2000年に初版を、2008年に改定2版を、2013年に改定3版を出版している。本科研費研究の成果は準備中の改定4版に取り入れ、社会に還元したい。