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凝聚态物理 > 强关联电子

arXiv:2508.19329 (cond-mat)
[提交于 2025年8月26日 ]

标题: 3+1维单时间反演不变对称性保护的狄拉克费米子的无定理

标题: No-go theorem for single time-reversal invariant symmetry-protected Dirac fermions in 3+1d

Authors:Lei Gioia, Anton A. Burkov, Taylor L. Hughes
摘要: 我们采用一种称为异常匹配的通用方法,推导出费米子格点模型的新无结果定理。 对于我们的主要结果,我们证明时间反演不变的3+1维格点系统(如狄拉克和外尔半金属)永远无法容纳一个低能对称性保护的狄拉克费米子(或节点),即它必须始终以更高多重态的形式出现,或者需要微调。 该定理适用于非相互作用和相互作用系统,只要电磁$U(1)_{V,{\rm UV}}$对称性是微观对称群$G_{\mathrm{UV}}$的正规子群;这一条件在物理$U(1)_{V,{\rm UV}}$保持的格点模型中非常普遍。 为了表明我们的定理是紧致的,我们还探讨了已知和新的系统,这些系统是无结果定理的反面,通过放弃某些假设得到,例如破坏时间反演对称性(磁性外尔半金属)、非紧致非在位$U(1)$(几乎局部狄拉克节点模型)、无对称性保护(微调狄拉克半金属),或多个低能狄拉克节点(时间反演不变的外尔和狄拉克半金属)。 我们还将明确证明,虽然该定理严格禁止单一的时间反演不变对称性保护的狄拉克节点,但在某些情况下允许其他奇数个狄拉克节点,例如在Fu-Kane-Mele金刚石晶格模型中的三个狄拉克节点。 这类似于针对奇数个不同电荷的手征费米子的Nielsen-Ninomiya定理,如果满足某些异常抵消条件,它们的格点实现是允许的。
摘要: We employ a general method, known as anomaly-matching, to derive new no-go theorems of fermionic lattice models. For our main result, we show that time-reversal invariant 3+1d lattice systems (such as Dirac and Weyl semimetals) can never admit a lone low-energy symmetry-protected Dirac fermion (or node), i.e., it must always come in higher muliplets or be fine-tuned. This theorem holds for both non-interacting and interacting systems as long as the electromagnetic $U(1)_{V,{\rm UV}}$ symmetry is a normal subgroup of the microscopic symmetry group $G_{\mathrm{UV}}$; a condition that is ubiquitous in physical $U(1)_{V,{\rm UV}}$ preserving lattice models. To show that our theorems are tight, we also explore both well-known and new systems that are converses of the no-go theorem, obtained by forfeiting certain assumptions such as a broken time-reversal symmetry (magnetic Weyl semimetal), a non-compact non-on-site $U(1)$ (almost local Dirac node model), no-symmetry protection (fine-tuned Dirac semimetal), or multiple low-energy Dirac nodes (time-reversal invariant Weyl and Dirac semimetals). We will also explicitly demonstrate that, while this theorem strictly prohibits single time-reversal invariant symmetry-protected Dirac node, it does allow for other odd numbers of Dirac nodes under certain circumstances, such as three Dirac nodes in the Fu-Kane-Mele diamond lattice model. This is akin to the Nielsen-Ninomiya theorem for an odd number of differently-charged chiral fermions, whose lattice realizations are allowed if certain anomaly cancellation conditions are met.
评论: 24+11页,6图
主题: 强关联电子 (cond-mat.str-el) ; 中尺度与纳米尺度物理 (cond-mat.mes-hall); 高能物理 - 理论 (hep-th); 数学物理 (math-ph)
引用方式: arXiv:2508.19329 [cond-mat.str-el]
  (或者 arXiv:2508.19329v1 [cond-mat.str-el] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.19329
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Lei Gioia Yang [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 8 月 26 日 18:00:00 UTC (500 KB)
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