喬丹–維格納變換

Jordan–Wigner 變換可用於將自旋算符映射到費米子的產生和湮滅算符。一維晶格模型由 Pascual Jordan 與 Eugene Wigner 提出，當前亦得到二維模型的類似變換。 通過把自旋算符變換為費米子的產生湮滅算符，繼而在費米子基矢中作對角化，Jordan–Wigner 變換經常用於精確求解 1D 自旋鏈，例如伊辛模型和 XY 模型。

此變換證明一維空間至少在有些情況下， 自旋-1/2 粒子與費米子不可區別。

自旋與費米子類比

接下來證明如何從一維自旋-1/2粒子構成的自旋鏈映射到費米子.

將自旋-1/2泡利算符作用到1D鏈的上的第j個晶座，$\sigma_{j}^{+}, \sigma_{j}^{-}, \sigma_{j}^{z}$. 選取 反對易算符 $\sigma_{j}^{+}$ and $\sigma_{j}^{-}$, 可以發現 $\{\sigma_{j}^{+},\sigma_{j}^{-}\} = 1$, 這些可從費米子的產生湮滅算符中得到。我們可以嘗試，

$\sigma_{j}^{+} = (\sigma_{j}^{x}+i\sigma_{j}^{y})/2 = f_j^{\dagger}$

$\sigma_{j}^{-} = (\sigma_{j}^{x}-i\sigma_{j}^{y})/2 = f_j$

$\sigma_{j}^{z} = 2f_j^{\dagger}f_j - 1.$

這樣，可以得到同晶格上費米子關係 $\{f_{j}^{\dagger}, f_{j}\}=1$, 但對不同的晶格，有關係 $[f_{j}^{\dagger},f_{k}] = 0$, 其中 $j \neq k$, 如此不同晶格上的自旋的對易關係不同於反對易的費米子。人們必須彌補這個問題。

Jordan–Wigner 變換

能夠恢復從自旋算符到真正費米子對易關係的變換於1928由 Jordan 和 Wigner 提出。此為 Klein 變換的特殊情況。考慮費米子鏈，定義一組新算符

$a_{j}^{\dagger} = e^{+i\pi \sum_{k=1}^{j-1}f^{\dagger}_k f_k} f^{\dagger}_j$

$a_{j} = e^{-i\pi \sum_{k=1}^{j-1}f^{\dagger}_k f_k} f_j$

$a_j^{\dagger} a_j - \frac{1}{2} = f^{\dagger}_j f_j - \frac{1}{2}.$

與之前的定義相差一個相 $e^{\pm i\pi \sum_{k=1}^{j-1}f^{\dagger}_k f_k}$。此相與場模 $k=1,\ldots,j-1$ 下佔據的費米子數有關。如果佔有模數為偶，此相等於 $+1$； 佔有模數為奇，相為 $-1$。表示為

$e^{\pm i\pi \sum_{k=1}^{j-1}f^{\dagger}_k f_k}=\prod_{k=1}^{j-1}e^{\pm i\pi f^{\dagger}_k f_k}=\prod_{k=1}^{j-1}(1-2f^{\dagger}_k f_k).$

最後一個等式使用了 $f^{\dagger}_k f_k=0, 1.$

這樣，變換後的自旋算符具有正確的費米子對易關係

$\{a_i^\dagger, a_j\}=\delta_{i,j},\{a_i^\dagger, a_j^\dagger\}=0, \{a_i, a_j\}=0.$

逆變換為

$a^{\dagger}_j = e^{+i\pi \sum_{k=1}^{j-1}a^{\dagger}_k a_k} \sigma_j^+$

$a_j = e^{-i\pi \sum_{k=1}^{j-1}a^{\dagger}_k a_k} \sigma_j^-$

$a^\dagger_j a_j = \sigma_j^z+\frac{1}{2}.$

另見

• Klein transformation
• S-duality
• Michael Nielsen: Notes on Jordan-Wigner Transformation