近日，《物理评论快报》（Physical Review Letters）在线刊发了物理学院吴英海副教授，德国德累斯顿工业大学涂鸿浩助理教授，美国耶鲁大学程蒙助理教授合作的论文《分数量子霍尔态和对称性保护拓扑态之间的连续相变》（Continuous Phase Transitions between Fractional Quantum Hall States and Symmetry-Protected Topological States）。本文被选为“编辑推荐”（Editors’ Suggestions），吴英海副教授为论文第一作者。

量子霍尔效应是拓扑物态的典型代表，其中分数量子霍尔态只有在粒子之间的相互作用较强时才能出现，它们的特殊性质包括分数化元激发、无能隙边界态、长程量子纠缠等。近年来一系列研究工作表明，存在某些不含分数化激发但是依然具有非平庸边界态的拓扑物态，其中一部分要求系统具有对称性，即是对称性保护拓扑态。对于固体系统中的物态，费米性的电子通常是其主要组成部分。近年来，很多理论和实验研究也探索了用玻色子实现拓扑物态的可能，相关实验平台包括冷原子气体、量子阱和二维材料中的激子等。

受到这些成果的启发，本文研究了玻色-费米混合物中的拓扑物态。将粒子和磁场耦合起来并选择恰当的相互作用，本文指出系统中可以实现一种对称性保护拓扑态，并利用数值计算和有效场论对它的性质进行了详细刻画。当同种粒子之间的相互作用保持不变但是两种粒子之间的相互作用逐渐减弱时，两类粒子最终会形成各自独立的分数量子霍尔态。通过计算基态能量的导数和基态波函数的保真度极化率，可以发现两类物态之间的转变为连续量子相变。进一步分析系统的量子纠缠熵，可以在临界点附近得出标度律，符合对连续相变的一般期待。这样两种拓扑物态之间的相变无法用序参量来刻画，而是需要用Chern-Simons-Higgs量子场论描述。为了描述分数量子霍尔态，需要引入若干演生规范场，它们和Higgs场耦合，而后者的凝聚导致某些规范场之间的锁定，给出对称性保护拓扑态。本文提出的机制可能具有较广的适用范围，有望用于描述其他拓扑物态的相变，相变理论还有很多具体性质有待探索。

该工作得到了国家自然科学基金面上项目的资助。

论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.256502