Microscopic models for fusion categories

Abstract

Abgesehen davon, dass Subfaktoren ein interessantes mathematisches Gebiet für sich darstellen, haben sie auch die Aufmerksamkeit von Physikern erregt, da vermutet wird, dass es einen Zusammenhang zwischen Subfaktoren und konformen Feldtheorien (CFT) gibt. Obwohl inzwischen eine überzeugende Menge an Hinweisen für die Gültigkeit dieser Vermutung erbracht wurde, existieren immer noch einige Lücken: Es gibt eine Reihe außergewöhnlicher Subfaktoren, für die keine entsprechende CFT bekannt ist. Daher ist es notwendig, neue Techniken für die Konstruktion einer CFT aus einem Subfaktor zu entwickeln. Hier ist es sinnvoll, die zugrunde liegende mathematische Struktur genauer zu untersuchen: Aus den sogenannten ,,even parts'' eines Subfaktors ergeben sich zwei unitäre Fusionskategorien (UFCs). Ein vielversprechender Ansatz ist, aus diesen Kategorien Quantenspinsysteme zu konstruieren und zu untersuchen, um eine Verbindung zu CFTs zu finden.

Das einfachste Beispiel, das neue Techniken zur Konstruktion einer CFT erfordert, ist der Haagerup Subfaktor, da er der kleinste Subfaktor mit einem Index größer als vier ist. In dieser Arbeit untersuchen wir mithilfe von ein- und zweidimensionalen Gittermodellen die Frage, ob eine CFT existiert, die zum Haagerup Subfaktor gehört. Die erste Aufgabe hierbei besteht darin, die F-Symbole der Kategorie zu berechnen, da diese bei allen Modellen, die in dieser Arbeit untersucht werden, einen entscheidenden Bestandteil der Konstruktion darstellen. Wir betrachten die folgenden Modelle: 1. Das sogenannte ,,Golden Chain''-Modell, bei dem es sich um eine eindimensionale Spinkette handelt, deren Grundzustand Informationen (wie zum Beispiel den Wert der zentralen Ladung) über die hypothetische CFT enthält. 2. Quantenspinketten (wie die Golden Chain) mit Defekten. Die Konstruktion der Vertices, die die Kette mit Defekten bilden, liefert Einblicke in eine mögliche Konstruktion einer unitären modularen Tensorkategorie (UMTC) über die sogenannte Annulare Kategorie. 3. Das Levin-Wen Modell, welches ein zweidimensionales Gittermodell mit exakt lösbarem Hamiltonian ist, das eine topologische Quantenfeldtheorie liefert. Am interessantesten für uns ist, dass die Anregungen des Systems eine UMTC ergeben.

Wir stellen fest, dass die Untersuchung der UFCs selbst keine Hinweise auf eine Haagerup CFT liefert, und schließen daraus, dass es notwendig ist, diese Untersuchung auf die entsprechende UMTC auszudehnen, die zum Beispiel über die Anregungen des Levin-Wen Modells konstruiert werden kann.

Besides being a mathematically interesting topic on its own, subfactors have also attracted the attention of physicists, since there is a conjectured correspondence between these and Conformal Field Theories (CFTs). Although there is quite a persuasive body of evidence for this conjecture, there are some gaps: there exists a set of exceptional subfactors with no known counterpart CFT. Hence, it is necessary to develop new techniques for building a CFT from a subfactor. Here, it is useful to study the underlying mathematical structure in more detail: The even parts of every subfactor give rise to two Unitary Fusion Categories (UFCs), and it is a promising direction to study quantum spin systems constructed from these categories to find a connection to CFTs.

The simplest example that requires new techniques for building a CFT is the Haagerup subfactor, since it is the smallest subfactor with index larger than 4. In this thesis, we investigate the question whether there is a CFT corresponding to the Haagerup subfactor via lattice models in one and two dimensions. The first task here is to find the F-symbols of the fusion category since these are crucial ingredients for the construction of a physical model in all of the models we consider in this thesis. We then investigate the following models: 1. The golden chain model, which is a one-dimensional spin chain whose ground state can be investigated in order to obtain information about the hypothetical CFT (such as the central charge). 2. Quantum spin chains (such as the golden chain model) with defects. The construction of the vertices of the defect chain gives insight into a possible way to construct a Unitary Modular Tensor Category (UMTC) via the so-called annular category. 3. The Levin-Wen model, which is a two-dimensional lattice model with an exactly solvable Hamiltonian that gives rise to a topological quantum field theory. Most interestingly for us, the excitations of the system yield a UMTC.

We find that there is no evidence for a corresponding CFT from the investigation of the UFCs directly and it is necessary to expand these studies to the corresponding UMTC, which can, for instance, be obtained via the excitations of the Levin-Wen model.