¿Cómo surgen los fermiones de Dirac en el grafeno y qué significado (si es que tiene alguno) tiene esto para la física de altas energías?

El grafeno tiene una red de panal (en ausencia de defectos e impurezas). Al considerar el límite de baja energía del modelo de Hubbard medio lleno que se usa para modelar el gas de electrones que interactúan fuertemente, encontramos que las cuasipartículas de baja energía obedecen a la relación de dispersión para los fermiones sin masa. Todos estos detalles están muy bien cubiertos en un artículo de González, Guniea y Vozmediano (referencia) entre otros.

Puede parecer que estoy respondiendo a la pregunta. Estoy siguiendo esta línea de exposición porque no quiero asumir que este es un tema comúnmente conocido o entendido fuera de la comunidad de materia condensada. Cualquier respuesta que desarrolle estos conceptos básicos sería muy útil, ya que ayudaría a que la discusión sea más accesible.

Mi pregunta principal es más sobre las implicaciones que tiene este hecho para la física de alta energía, en particular, la cuestión de la materia emergente en las teorías de la gravedad cuántica. El caso del grafeno es un ejemplo canónico en ese sentido en el que se obtienen excitaciones relativistas sin masa en la esquina de baja energía de un sistema que de otro modo no sería relativista: el gas de electrones 2D (2DEG).

Obviamente, tengo mis propias creencias a este respecto e intentaré esbozarlas en una respuesta. Pero también quiero solicitar las opiniones de las comunidades al respecto.

@space_cadet: ¡Buena pregunta! Fermiones sin masa: ¿implica esto que estos tipos se comportan como neutrinos en 2D?
@Robert - más o menos. Hay todo tipo de otras cosas buenas que suceden, como cuando se introducen defectos en la red, el efecto de larga distancia de baja energía en los fermiones de Dirac mencionados anteriormente se entiende mediante la introducción de un campo de calibre SU(2) no abeliano. - ver, por ejemplo , campos de calibre en grafeno . Entonces, no solo tiene fermiones de dirac "emergentes", sino también el campo de calibre SU (2) "emergente" que describe sus interacciones con los defectos de la red.
@mbq la forma en que lo había dicho originalmente por la pregunta parecía un poco mejor después de su edición (en mi humilde opinión), por lo que la revertí. Pero sí, el grafeno debería tener una "g" minúscula :)

Respuestas (2)

El surgimiento de la simetría global a bajas energías es un fenómeno familiar, por ejemplo, el número bariónico surge en el contexto del modelo estándar como simetría "accidental". Es decir, a bajas energías es aproximadamente válido, pero a altas energías no lo es.

La razón por la que este es el caso es que sucede que el operador de dimensión más bajo que puede escribir, con el contenido de materia y las simetrías del modelo estándar, es la dimensión 5. El efecto es entonces suprimido por una potencia de alguna escala de alta energía: es un operador irrelevante. Esta es una forma independiente del modelo para caracterizar la posibilidad de la aparición de simetrías globales a bajas energías.

Luego podemos preguntar sobre la invariancia de Lorentz: cuáles son las posibles violaciones de la invariancia de Lorentz a bajas energías y cuáles son las dimensiones de los operadores correspondientes. Esto depende del contenido de materia y las simetrías: para el sistema que describe el grafeno, existe tal emergencia. Para cualquier cosa que contenga el contenido de materia del modelo estándar, hay muchos operadores relevantes*, cuyo efecto se mejora a bajas energías, lo que significa que los efectos de violación de Lorentz, incluso los pequeños a altas energías, se magnifican en lugar de suprimirse en observable. energías.

Por supuesto, una vez que incluimos la gravedad, la invariancia de Lorentz es ahora una simetría de calibre, lo que hace que su violación no solo sea fenomenológicamente desagradable, sino también teóricamente poco sólida. Conducirá a todas las inconsistencias que requieren la introducción de la libertad de medida para comenzar, estados normativos negativos y violaciones de la unitaridad, etc., etc.

  • Al menos 46, que fueron anotados por Coleman y Glashow (Phys.Rev. D59, 116008). Relajando sus suposiciones puedes encontrar aún más. Cada uno de ellos correspondería a un nuevo problema de ajuste fino (como el problema de la constante cosmológica, o el problema de la jerarquía).

La respuesta que obtendrá de la mayoría de los físicos de alta energía es que no hay implicaciones de ningún tipo. La invariancia de Lorentz está extraordinariamente bien probada: consulte, por ejemplo, http://arxiv.org/abs/0801.0287 . En particular, hay muchos operadores relevantes en el modelo estándar que uno esperaría generar si la física a gran escala no es invariante de Lorentz. Incluso algunos operadores irrelevantes que uno podría esperar ingenuamente que aparezcan con coeficientes suprimidos de Planck de orden uno están restringidos a tener coeficientes más pequeños. Agregar gravedad solo empeora el problema. Por ejemplo, la mayoría de los intentos de generar GR emergentes a partir de teorías no relativistas tendrán un modo escalar extra y se encontrarán con enormes dificultades fenomenológicas, porque en realidad no están midiendo el grupo de difeomorfismo completo.

Para ser un poco más claro: hay casos (y el fermión relativista libre que emerge en el límite de larga distancia del grafeno es uno de ellos) donde las simetrías de red pueden prohibir operadores relevantes peligrosos. Esto no debería suceder para el modelo estándar completo (supongo que alguien ha escrito un argumento cuidadoso para esto en alguna parte, pero no conozco una referencia de antemano). Aún así, incluso para el caso del grafeno hay operadores irrelevantes, y también tenemos límites para ellos. Además, una vez que comienzas a pensar en la gravedad, estás más o menos obligado a abandonar la esperanza de una red subyacente altamente simétrica que prohíbe todos los operadores peligrosos.

Otro comentario medio en broma: este argumento también te dice la respuesta correcta al concurso de ensayos FQXi "¿Es la realidad digital o analógica?", por lo que si alguien lo desarrolla con cuidado, posiblemente podría ganar hasta $ 10k con él.

(Por cierto, es una buena pregunta; hay una sabiduría convencional obvia de la teoría del campo efectivo que explica por qué no se ve a los teóricos de alta energía persiguiendo mucho este tipo de cosas, pero desde fuera podría no estar tan claro por qué tales ideas no generan mucho interés.)

@Matt, sus puntos están bien tomados (+1), pero obviamente hay una cantidad considerable de personas que sienten que sí (Wen, Levin, Volovik ...) de lo contrario, no estaría planteando esta pregunta de esta manera general. Además, el tema de los recursos genéticos emergentes agrega otra capa de complicación y controversia. Entonces, si alguien elige discutirlo, eso es maravilloso, pero me encantaría dejar a GR fuera de la discusión por ahora para simplificar las cosas. Su punto sobre los operadores irrelevantes es importante e intentaré explicar en una respuesta por qué y cómo siento que estos operadores pueden ser suprimidos por la dinámica.
Se me ocurre un ejemplo en el que los operadores que violan Lorentz juegan un papel importante en la física de alta energía: la formación de condensados ​​LOFF que pretenden explicar aspectos de la superconductividad del color, trabajo realizado por Rajagopal, Wilzcek, Bowers y Alford, entre otros. referencia
Este es un ejemplo de ruptura espontánea de simetría, donde hay una simetría a alta energía que se rompe a bajas energías. Esto es, por supuesto, lo que le sucede a LI en el mundo real, que a bajas energías no es LI, pero se convierte en LI a altas energías. Lo que está buscando es lo contrario, un caso en el que LI sea válido en algún rango de energía sin ser una verdadera simetría en la escala de energía fundamental. Es poco probable que esto funcione debido a todos los operadores relevantes.
@space_cadet: dice algo sobre mi "punto sobre los operadores irrelevantes", pero nuevamente, el problema real son los operadores relevantes : aquellos que, incluso si los configura para que sean pequeños en distancias cortas, se vuelven grandes en distancias largas. No los vemos. Es casi inconcebible que pueda haber una salida a esto.
@matt - gracias por esa aclaración. Una vez más, este asunto del operador relevante/irrelevante es algo que todavía estoy discutiendo en mi cabeza.
@space_cadet: una confusión podría ser que, para el caso simple de un fermión relativista libre de la red de panal, no tiene operadores relevantes. He añadido un párrafo comentando sobre esto.