보손화

보손화(boson化, 영어: bosonization)는 2차원 등각장론에서 페르미온과 보손이 서로 동등한 현상이다. 이에 따라, 2차원 등각장론에서는 일반적인 스핀-통계 정리가 무의미하며, 임의로 입자의 통계를 정할 수 있다. 대략, 한 쌍의 페르미온이 짝을 지어 보손을 이루는 것으로 이해할 수 있다.

전개

바일 페르미온의 보손화

2차원 등각 장론에서 바일 스피너로 다루는 페르미온을 생각하자. 2차원 바일 스피너는 하나의 복소수 성분을 지니고, 또 전칙함수 및 반정칙함수의 합

$\psi (z,{\bar {z}})=\psi (z)+{\bar {\psi }}({\bar {z}})$

으로 나타낼 수 있다. 또한 (반)전칙함수로 나타나는 복소 스칼라 $\phi (z)$와 ${\bar {\phi }}({\bar {z}})$를 생각하고, 스칼라장의 전파 인자를 다음과 같이 규격화하자.

$\langle \phi (z)\phi (z')\rangle =-{\frac {\alpha '}{2}}\ln(z-z')$

$\langle {\bar {\phi }}({\bar {z}}){\bar {\phi }}({\bar {z}}')\rangle =-{\frac {\alpha '}{2}}\ln({\bar {z}}-{\bar {z}}')$

이 경우, 일차장들의 등각 무게 $(h,{\bar {h}})$는 다음과 같다.

일차장	$h$	${\bar {h}}$
$\partial \phi (z)$	1	0
${\bar {\partial }}{\bar {\phi }}({\bar {z}})$	0	1
$:\exp(ik\phi (z)):$	$k^{2}\alpha '/4$	0
$:\exp(ik{\bar {\phi }}({\bar {z}})):$	0	$k^{2}\alpha '/4$
$\psi (z)$	1/2	0
${\bar {\psi }}({\bar {z}})$	0	1/2

따라서, $\psi (z)$와 $\exp(-i{\sqrt {2/\alpha '}}\phi )$의 무게가 일치하는 것을 볼 수 있다. 또한, 이들의 연산자 곱 전개 (OPE) 및 에너지-운동량 텐서를 비교해 보면,

$\psi (z)=:\exp(-i{\sqrt {2/\alpha '}}\phi (z)):$

${\bar {\psi }}({\bar {z}})=:\exp(-i{\sqrt {2/\alpha '}}{\bar {\phi }}({\bar {z}})):$

$:\psi (z){\bar {\psi }}(z):=i\partial \phi (z)$

와 같이 대응시키면 모든 성질이 같은 사실을 알 수 있다. 여기서 $:\cdots :$는 표준 순서다. 즉 2차원 등각장론에서 페르미온과 보손이 동등하다는 사실을 알 수 있다.

디랙 페르미온의 보손화

마찬가지로, 디랙 페르미온

$\psi (z,{\bar {z}})=\psi (z)+{\bar {\psi }}({\bar {z}})$

은 주기가 $2\pi$인 실수 스칼라 보손

$\phi (z,{\bar {z}})=\phi (z)+{\bar {\phi }}({\bar {z}})\in \mathbb {R} /2\pi$

으로 보손화된다. 구체적으로, 대응 관계는 다음과 같다. 여기서 $\mu$는 표준 순서 $:\cdots :$를 가하는 에너지 눈금이다. (질량항의 경우, 등각 대칭을 깨므로 이 에너지 눈금이 중요해진다.)

디랙 페르미온의 보손화^:136

설명	보손	페르미온
보존류 (정칙) $j(z)$	$i\partial \phi (z)$	$:\psi ^{\dagger }(z)\psi (z):$
보존류 (반정칙) ${\bar {j}}({\bar {z}})$	$i\partial \phi (z)$	$:{\bar {\psi }}^{\dagger }({\bar {z}}){\bar {\psi }}({\bar {z}}):$
페르미온 (정칙)	$:\exp(i\phi (z)):$	$\psi (z)$
페르미온 (반정칙)	$:\exp(i\phi ({\bar {z}})):$	${\bar {\psi }}({\bar {z}})$
에너지-운동량 텐서 (정칙) $T(z)$	$-{\frac {1}{2}}:\partial \phi (z)\partial \phi (z):$	$-{\frac {1}{2}}:\psi ^{\dagger }(z)\partial \psi (z)-\partial \psi ^{\dagger }(z)\psi (z):$
에너지-운동량 텐서 (반정칙) $T(z)$	$-{\frac {1}{2}}:\partial {\bar {\phi }}({\bar {z}})\partial {\bar {\phi }}({\bar {z}}):$	$-{\frac {1}{2}}:{\bar {\psi }}^{\dagger }({\bar {z}})\partial {\bar {\psi }}({\bar {z}})-\partial {\bar {\psi }}^{\dagger }({\bar {z}}){\bar {\psi }}({\bar {z}}):$
질량항	$\mu :\cos(\phi (z)+{\bar {\phi }}({\bar {z}})):$	${\bar {\psi }}^{\dagger }({\bar {z}})\psi (z)+\psi ^{\dagger }(z){\bar {\psi }}({\bar {z}})$

비아벨 보손화

만약 페르미온 계가 비아벨 맛깔 대칭 등을 갖는다고 하자. 2차원에서는 이에 따라 계가 아핀 리 대수 대칭을 갖게 된다. 이 경우, 보손화는 이 대칭을 보존하여야 한다. 이 경우, 일반적인 (아벨) 보손화 대신 비아벨 보손화(영어: non-Abelian bosonization)를 사용한다. 이 경우, 페르미온 계의 보손화는 적절한 아핀 리 대수 대칭을 갖는 베스-추미노-위튼 모형이다. 이를 사용하여, 예를 들어 2차원 양자 색역학을 보손화하여 완전히 풀 수 있다.

비아벨 보손화는 에드워드 위튼이 1984년 도입하였다.

보손화의 예

보손화를 통해, 하나의 보손 장을 가진 사인-고든 모형과 하나의 페르미온 장을 가진 티링 모형이 서로 동등하게 된다. 이는 S-이중성의 간단한 예이다.

상호작용하는 페르미온을 나타내는 도모나가-루팅거 모형(영어: Tomonaga-Luttinger model)은 보손화를 통해 자유 보손 이론으로 치환하여, 완전히 풀 수 있다.

응용

보손화는 응집물질물리학에서 중요한 역할을 한다. 초전도체를 다루는 BCS 이론에서는 두 전자가 쿠퍼 쌍을 이루어 보손처럼 행동하여 초전도를 가능하게 한다. 또한, 헬륨-3이나 리튬-7과 같은 페르미온이 보손화하면 보스-아인슈타인 응축 상태에 도달할 수 있다.

보손화는 끈 이론에서도 쓰인다. 예를 들어, RNS 초끈을 다룰 때 나타나는 페르미온 장 $\psi$와 페르미온 유령 $\beta ,\gamma$는 보손화를 통하여 간단히 다룰 수 있다.

참고 문헌

• Sénéchal, David (2003). 〈An introduction to bosonization〉. 《Theoretical Methods for Strongly Correlated Electrons》 (영어). Springer. 139–186쪽. arXiv:cond-mat/9908262. Bibcode:1999cond.mat..8262S. doi:10.1007/0-387-21717-7_4. ISBN 0387008950. 
• Rao, Sumathi; Diptiman Sen (2000). “An introduction to bosonization and some of its applications” (영어). arXiv:cond-mat/0005492. Bibcode:2000cond.mat..5492R. 
• Jan von Delft, Herbert Schoeller (1998년 11월). “Bosonization for beginners — refermionization for experts”. 《Annalen der Physik》 (영어) 7 (4): 225–305. arXiv:cond-mat/9805275. Bibcode:1998AnP.....7..225V. doi:10.1002/(SICI)1521-3889(199811)7:4<225::AID-ANDP225>3.0.CO;2-L. 
• Miranda, E. (2003). “Introduction to Bosonization” (PDF). 《Brazilian Journal of Physics》 (영어) 33 (1): 3–35. ISSN 0103-9733.