Dualidades en el efecto hall cuántico fraccionario.
Yasuo Oda
Abstract
En este trabajo tratamos el tema de dualidades en el Efecto Hall Cuántico, los electrones \nen dos dimensiones con un campo magnético. \nComenzamos por dar una motivación de la materia, de por que es interesante, y de su \ninterpretación como fenomeno colectivo. Seguimos con una rápida descripción de las \nformas clásicas y cuánticas de estudiar el problema, haciendo hincapié de por que esta \nultima perspectiva es particularmente compleja. Haremos hincapié primero en la versión \nsin interacciones, para ganar algo de intuición sobre como son los estados cuánticos del \nsistema y los niveles de energía. Luego prendemos las interacciones y mostramos por \nque un estudio detallado no puede hacerse mediante el método de perturbaciones. \nDescribimos entonces una forma distinta, no perturbativa, de entender al sistema interactuante: \nlas dualidades. Si podemos probar que el sistema complejo, fuertemente \ninteractuante y altamente correlacionado, es dual a un sistema bien conocido y quizás \nincluso sencillo, hemos ganado mucho respecto a la visión perturbativa. \nEn esta línea mencionamos el trabajo pionero de Halperin, Lee y Read, quienes introducen \nel concepto de fermión compuesto como una cuasipartícula dual a los electrones \nen un campo magnético. Mas recientemente Dam Son propone una nueva dualidad, \ndestacando la importancia de la fracción de llenado v = 1/2 y motivado por una aparente \ncarencia de simetría de la teoría HLR, donde el fermión compuesto es en realidad \nun fermión de Dirac relativista. El trabajo de Son dio origen a una red de dualidades \nque se estudian con técnicas de teorías de campos, y que son nuestro objeto de estudio. \nEn particular, estudiamos una reciente dualidad supersimétrica conocida como mirror \nsymmetry y algunos de sus derivados. \nA continuación damos un resumen de una herramienta que sera fundamental en el \nresto del trabajo: la supersimetría. Introducimos los conceptos basicos de supercampo \ny superespacio, junto con las supercargas y los multipletes. En particular nos interesa \ndescribir supermultipletes de N = 4 en 2+1 dimensiones. \nLuego pasamos a exponer en detalle la dualidad mirror symmetry. Esta dualidad rela- \nciona dos teorías supersimetricas, que llamaremos teoría A y teoría B. Mas tarde las \nidenticaremos con el QHE y los fermiones compuestos. La dualidad se aprovecha de \npropiedades útiles de la supersimetría para calcular correcciones cuanticas de forma \ntanto perturbativa como no perturbativa. Deformaremos luego la dualidad rompiendo \nsupersimetrías, con el objetivo de encontrar teorías realistas y con la esperanza de obtener \nfísica interesante en el límite de bajas energías. Logramos probar, de hecho, una \ndualidad interesante que proponemos es la dualidad de Son. \nProfundizamos en el estudio de la dualidad complementando con cálculos numéricos \nque nos permiten encontrar observables que de otra forma serían inaccesibles analíticamente. \nEn particular nos interesa la llamada entropía de entrelazamiento, y de como \nes capaz de detectar la existencia de fermiones en una superficie de Fermi a través del \nfenomeno conocido como violación logarítmica de la ley de área. Buscamos numéricamente, \nentonces, la violación logarítmica de ambos lados de la dualidad, y tratamos de \nrelacionar ambas visiones mediante la conjetura de que la formula de Widom es valida \nincluso en presencia de interacciones. \nPara ello recurrimos a dos metodos numericos, primero a la diagonalizacion exacta, y \nluego al DMRG. El ultimo ha demostrado ampliamente ser uno de los mas efectivos a \nla hora de atacar problemas en una dimensión espacial con correlaciones grandes. Para \npoder valernos de el aplicamos una reducción dimensional sobre el problema 2D del \nEfecto Hall al ponerlo en un cilindro. \nUna vez obtenidos los resultados buscados, tratamos de rescatar la mayor informacion posible filtrando efectos de tamaño finito. Si bien concluir resultados cuantitativos \nresulta difícil, vemos claramente la violación logarítmica y la dependencia con la extensividad \ndel cilindro, lo cual nos hace concluir la existencia de una superficie de Fermi. \nTambién encontramos que la entropía resulta ser una cantidad robusta que depende \npoco de variaciones en el potencial aplicado, lo cual también es consistente con la \nconjetura de Widom. Por lo tanto, creemos que es una medida interesante que merece \nmucha mas atención como herramienta en dualidades y promete ser la fuente de nuevos \ntrabajos. \n