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Lattice-fermionic Casimir effect and topological insulators

格子フェルミオンにおけるカシミール効果とトポロジカル絶縁体

石川 力*; 中山 勝政*; 鈴木 渓 

Ishikawa, Tsutomu*; Nakayama, Katsumasa*; Suzuki, Kei

カシミール効果は、何らかの粒子のゼロ点エネルギーが2枚の平行平板の存在によって歪められることによって生じる物理現象である。格子上の自由度においては、エネルギーと運動量の分散関係はブリルアンゾーンの範囲で周期性を持つため、それに対応してカシミール効果も変化するはずである。本研究では、ナイーブ・フェルミオン,ウィルソン・フェルミオン,(メビウス・ドメインウォール・フェルミオン定式化に基づく)オーバーラップ・フェルミオンなどの格子フェルミオン系におけるカシミール効果の性質を理論的に調べた。特に、$$1+1$$, $$2+1$$, $$3+1$$次元において周期境界条件または反周期境界条件を持つ系について系統的な解析を行った。中でも、ナイーブ・フェルミオン,負質量を持つウィルソン・フェルミオン,domain-wall heightが大きい場合のオーバーラップ・フェルミオンなどの系において、奇数格子と偶数格子の間でカシミールエネルギーの大きさが振動する現象が見られた。この振動現象は、高運動量を持つ自由度(ダブラー)の存在に起因している。このような新奇なカシミール効果は、トポロジカル絶縁体のような物性系の実験や格子シミュレーションによって将来的に検証されることが期待される。

The Casimir effect arises from the zero-point energy of particles in momentum space deformed by the existence of two parallel plates. For degrees of freedom on the lattice, its energy-momentum dispersion is determined so as to keep a periodicity within the Brillouin zone, so that its Casimir effect is modified. We study the properties of Casimir effect for lattice fermions, such as the naive fermion, Wilson fermion, and overlap fermion based on the M$"o$bius domain-wall fermion formulation, in the $$1+1$$, $$2+1$$, and $$3+1$$ dimensional spacetime with the periodic or antiperiodic boundary condition. An oscillatory behavior of Casimir energy between odd and even lattice size is induced by the contribution of ultraviolet-momentum (doubler) modes, which realizes in the naive fermion, Wilson fermion in a negative mass, and overlap fermions with a large domain-wall height. Our findings can be experimentally observed in condensed matter systems such as topological insulators and also numerically measured in lattice simulations.

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