並進対称性が“元に戻せなくなる”新現象を発見

2026-05-25 京都大学

京都大学の研究グループは、量子多体系における「並進対称性」が、条件によっては“元に戻せない”非可逆対称性へ変化する新現象を発見した。研究成果は2026年5月21日付で『Physical Review B』誌に掲載された。通常、対称性操作には逆操作が存在し、例えば右へ1マス移動した状態は左へ1マス戻せば元に戻る。しかし研究チームは、内部対称性と並進対称性が結び付くLieb–Schultz–Mattis(LSM)制約を持つ系に対し、「ゲージ化」によって大域対称性を局所対称性へ変換すると、並進対称性そのものが非可逆化することを理論的に示した。この非可逆対称性では単純な逆操作が存在せず、対称操作を繰り返すと複数状態が分岐・混合する特徴を持つ。成果は、従来の対称性概念を拡張するものであり、量子情報理論や量子多体系、トポロジカル物性研究への応用が期待される。特に、量子状態制御や新奇量子相理解に新たな理論基盤を提供する可能性がある。

並進対称性が“元に戻せなくなる”新現象を発見
通常の対称性(左)では操作は逆操作によって元に戻る。一方、本研究で見出された非可逆対称性(右)では逆操作が単純には存在せず、状態が複数に分かれる。作成:戎 弘実

<関連情報>

Lieb–Schultz–Mattis アノマリーからの非可逆並進 Noninvertible translation from Lieb-Schultz-Mattis anomaly

Tsubasa Oishi, Takuma Saito, and Hiromi Ebisu
Physical Review B  Published: 21 May, 2026
DOI: https://doi.org/10.1103/qmcw-dbrs

Abstract

Symmetry provides powerful nonperturbative constraints in quantum many-body systems. A prominent example is the Lieb-Schultz-Mattis (LSM) anomaly—a mixed ‘t Hooft anomaly between internal and translational symmetries that forbids a trivial symmetric gapped phase. In this work, we investigate lattice translation operators in systems with an LSM anomaly. We construct explicit lattice models in two and three spatial dimensions and show that, after gauging the full internal symmetry, translation becomes noninvertible and fuses into defects of the internal symmetry. The result is supported by the anomaly inflow in view of topological field theory. Our work extends earlier one-dimensional observations to a unified higher-dimensional framework and clarifies their origin in mixed anomalies and higher-group structures, highlighting a coherent interplay between internal and crystalline symmetries.

1701物理及び化学
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