Physics of three dimensional bosonic topological insulators: Surface Deconfined Criticality and Quantized Magnetoelectric Effect

We discuss physical properties of `integer' topological phases of bosons in D=3+1 dimensions, protected by internal symmetries like time reversal and/or charge conservation. These phases invoke interactions in a fundamental way but do not possess topological order and are bosonic analogs of free fermion topological insulators and superconductors. While a formal cohomology based classification of such states was recently discovered, their physical properties remain mysterious. Here we develop a field theoretic description of several of these states and show that they possess unusual surface states, which if gapped, must either break the underlying symmetry, or develop topological order. In the latter case, symmetries are implemented in a way that is forbidden in a strictly two dimensional theory. While this is the usual fate of the surface states, exotic gapless states can also be realized. For example, tuning parameters can naturally lead to a deconfined quantum critical point or, in other situations, a fully symmetric vortex metal phase. We discuss cases where the topological phases are characterized by quantized magnetoelectric response \theta, which, somewhat surprisingly, is an odd multiple of 2\pi. Two different surface theories are shown to capture these phenomena - the first is a nonlinear sigma model with a topological term. The second invokes vortices on the surface that transform under a projective representation of the symmetry group. A bulk field theory consistent with these properties is identified, which is a multicomponent `BF' theory supplemented, crucially, with a topological term. A possible topological phase characterized by the thermal analog of the magnetoelectric effect is also discussed.Comment: 25 pages+ 3 pages Appendices, 3 figures. Introduction rewritten for clarity, minor technical changes and additional details of surface topological order adde

Origin of Mott insulating behavior and superconductivity in twisted bilayer graphene

A remarkable recent experiment has observed Mott insulator and proximate superconductor phases in twisted bilayer graphene when electrons partly fill a nearly flat mini-band that arises a `magic' twist angle. However, the nature of the Mott insulator, origin of superconductivity and an effective low energy model remain to be determined. We propose a Mott insulator with intervalley coherence that spontaneously breaks U(1) valley symmetry, and describe a mechanism that selects this order over the competing magnetically ordered states favored by the Hunds coupling. We also identify symmetry related features of the nearly flat band that are key to understanding the strong correlation physics and constrain any tight binding description. First, although the charge density is concentrated on the triangular lattice sites of the moir$\text{\'e }$ pattern, the Wannier states of the tight-binding model must be centered on different sites which form a honeycomb lattice. Next, spatially localizing electrons derived from the nearly flat band necessarily breaks valley and other symmetries within any mean-field treatment, which is suggestive of a valley-ordered Mott state, and also dictates that additional symmetry breaking is present to remove symmetry-enforced band contacts. Tight-binding models describing the nearly flat mini-band are derived, which highlight the importance of further neighbor hopping and interactions. We discuss consequences of this picture for superconducting states obtained on doping the valley ordered Mott insulator. We show how important features of the experimental phenomenology may be explained and suggest a number of further experiments for the future. We also describe a model for correlated states in trilayer graphene heterostructures and contrast it with the bilayer case.Comment: Main text (17 pages, 4 figures, 1 table) + Appendices; v2: Schematic (Fig. 1) updated; typos fixed and notational consistency improve

"Deconfined" quantum critical points

The theory of second order phase transitions is one of the foundations of modern statistical mechanics and condensed matter theory. A central concept is the observable `order parameter', whose non-zero average value characterizes one or more phases and usually breaks a symmetry of the Hamiltonian. At large distances and long times, fluctuations of the order parameter(s) are described by a continuum field theory, and these dominate the physics near such phase transitions. In this paper we show that near second order quantum phase transitions, subtle quantum interference effects can invalidate this paradigm. We present a theory of quantum critical points in a variety of experimentally relevant two-dimensional antiferromagnets. The critical points separate phases characterized by conventional `confining' order parameters. Nevertheless, the critical theory contains a new emergent gauge field, and `deconfined' degrees of freedom associated with fractionalization of the order parameters. We suggest that this new paradigm for quantum criticality may be the key to resolving a number of experimental puzzles in correlated electron systems.Comment: 24 pages, 6 figure

Fermionic Hopf solitons and Berry's phase in topological surface superconductors

A central theme in many body physics is emergence - new properties arise when several particles are brought together. Particularly fascinating is the idea that the quantum statistics may be an emergent property. This was first noted in the Skyrme model of nuclear matter, where a theory formulated entirely in terms of a bosonic order parameter field contains fermionic excitations. These excitations are smooth field textures, and believed to describe neutrons and protons. We argue that a similar phenomenon occurs in topological insulators when superconductivity gaps out their surface states. Here, a smooth texture is naturally described by a three component real vector. Two components describe superconductivity, while the third captures the band topology. Such a vector field can assume a 'knotted' configuration in three dimensional space - the Hopf texture - that cannot smoothly be unwound. Here we show that the Hopf texture is a fermion. To describe the resulting state, the regular Landau-Ginzburg theory of superconductivity must be augmented by a topological Berry phase term. When the Hopf texture is the cheapest fermionic excitation, striking consequences for tunneling experiments are predicted

Postpartum eclampsia: a clinical study

Background: Eclampsia, an enigmatic multisystem complication of pregnancy, is commonly defined as new onset of grand mal seizure activity and/or unexplained coma during pregnancy or postpartum. Eclampsia is associated with maternal deaths ranging from, 1.8% in developed to 14% in developing countries respectively. The worldwide incidence of delayed postpartum eclampsia is on an increasing trend, now at 16-18%, of all eclamptic seizures. Objective was to study the clinical findings and morbidity, associated with postpartum eclampsia and its correlation with neuroimaging- in our institute- SRIHER, Chennai.Methods: This is a retrospective study from a period of June 2016 to June 2021, in SRIHER, Chennai. Case records of all patients with postpartum eclampsia were analysed.Results: A total of 35 patients who satisfied the inclusion criteria were studied, out of which 55% of patients were diagnosed with hypertension or preeclampsia antenatally, and 45% presented as atypical eclampsia. In our institution, Postpartum eclampsia commonly occurred in the age group of 26-30 years of age (51.4%); was common after lower segment caesarean section (LSCS) (71.4%); most commonly occurred immediate postpartum (42.8%). Most common prodromal symptom was headache (77%), followed by blurring of vision (37%). Most common magnetic resonance imaging (MRI) finding was posterior reversible encephalopathy syndrome (PRES) (69%). 17% patients required intensive care unit (ICU) care. There was no mortality associated with postpartum eclampsia in the study period.Conclusions: This study emphasises that a high index of suspicion and a multidisciplinary approach effectively reduces mortality and morbidity associated with postpartum eclampsia. Neuroimaging is of robust help in the diagnosis and management of postpartum eclampsia.

Finite temperature properties of quantum Lifshitz transitions between valence bond solid phases: An example of `local' quantum criticality

We study the finite temperature properties of quantum magnets close to a continuous quantum phase transition between two distinct valence bond solid phases in two spatial dimension. Previous work has shown that such a second order quantum `Lifshitz' transition is described by a free field theory and is hence tractable, but is nevertheless non-trivial. At $T>0$, we show that while correlation functions of certain operators exhibit $\omega/T$ scaling, they do not show analogous scaling in space. In particular, in the scaling limit, all such correlators are purely {\em local} in space, although the same correlators at T=0 decay as a power law. This provides a valuable microscopic example of a certain kind of `local' quantum criticality. The local form of the correlations arise from the large density of soft modes present near the transition that are excited by temperature. We calculate exactly the autocorrelation function for such operators in the scaling limit. Going beyond the scaling limit by including irrelevant operators leads to finite spatial correlations which are also obtained

Alienation Among Professional Engineers: A Canadian-American Comparison

Le concept d'aliénation, tel qu'on l'utilise couramment en sciences sociales, peut se rattacher à deux traditions théoriques: la théorie de l'aliénation exposée par Marx et la théorie de l'anomie établie dans les travaux de Durkheim. Toutefois, la tradition marxienne a exercé une influence plus marquée en ce qui a trait à la substance même de l'aliénation et aux périmètres de la recherche sur le sujet. La dimension historique et empirique de la théorie de l'aliénation chez Marx comporte des exemples de situations antérieures comme des salaires inéquitables, des conditions physiques et psychologiques inhumaines consécutives aux exigences des employeurs et du monde des machines qui conduisent à un état d'aliénation.En particulier chez des hommes de profession, des facteurs comme une science spécialisée au contenu intellectuel considérable, une grande autonomie d'action, la responsabilité, l'influence et un engagement marqué envers la profession sont vivement valorisées. Si la structure de contrainte ou de stimulation au sein d'une entreprise tend à amoindrir de telles valeurs, les hommes de profession peuvent en arriver à ressentir une privation du sens et de la fierté dans leur travail et adopter à son endroit une attitude de laisser-aller avec toutes les conséquences qui en découlent. Ainsi, la perspective théorique précédente pourrait inciter à formuler l'hypothèse selon laquelle une contrainte moins forte et une stimulation plus grande auraient pour résultat de diminuer l'aliénation ressentie par les hommes de profession. Dans la pratique, une contrainte moins forte se traduit par la décentralisation des prises de décision, la participation à la supervision et une liberté professionnelle accrue. Les autres stimulants professionnels sont le climat au sein de l'entreprise et l'appui accordé à l'activité professionnelle. En ce qui a trait à l'aliénation, on a soutenu que l'insatisfaction personnelle, définie comme la privation du sens et de la fierté dans le travail et une attitude de laisser-aller à son endroit, est une définition adéquate de l'aliénation dans un contexte de travail tel que la chose ressort fidèlement de la conception marxienne et que, en conséquence, elle doit être considérée comme l'élément principal dans les études sur l'aliénation beaucoup plus que simplement l'un de ses aspects. Aussi, l'insatisfaction personnelle a-t-elle été choisie comme mesure de l'aliénation dans la présente étude.On a également signalé récemment qu'une enquête comparative au sein des institutions et des sociétés peut favoriser beaucoup les interrelations entre elles. Cependant, la plupart des travaux qui font des comparaisons entre les employeurs de différents pays négligent totalement le Canada et considèrent les milieux de langue anglaise qui vivent en Amérique du Nord comme une unité homogène sans noter les différences entre les conditions canadiennes et américaines. Les observateurs ont présenté la société canadienne comme une société moins égalitaire, moins tournée vers la conception et moins individualiste que la société américaine, la première s'appuyant sur le système européen des valeurs et s'écartant des attitudes américaines. La présente étude tente de vérifier cette affirmation en comparant les ingénieurs canadiens et américains quant à la perception qu'ils ont de l'effet de la structure de contrainte ou de stimulation sur leur degré d'aliénation.La méthode suivieLes données canadiennes ont été obtenues de 189 ingénieurs qui étaient membres de l'Association des ingénieurs de la Colombie Britannique et qui travaillaient pour diverses entreprises de la province. L'échantillon américain, extrait d'un travail de Miller, regroupait 211 ingénieurs qui oeuvraient au sein d'une grande société aérospatiale. Fondamentalement, le présent travail est une réplique partielle de l'étude initiale de Miller et les résultats sont juxtaposés aux résultats de l'étude canadienne aux fins de comparaison. Les données furent recueillies au moyen d'un questionnaire envoyé par la poste à la résidence des ingénieurs canadiens. Les variables spécifiques utilisées dans l'évaluation du degré d'aliénation consistaient dans le type de supervision, la liberté de s'adonner à la recherche, le climat professionnel et les encouragements de la part de l'employeur. Les échelles de mesure sont celles qu'on retrouve dans l'étude de Miller.Les résultats obtenusL'étude a démontré que la dimension empirique de la théorie d'aliénation de Marx a beaucoup de valeur comme fondement d'une analyse du phénomène d'aliénation. Elle offre une armature sérieuse pour comprendre les facteurs explicatifs pertinents au groupe observé et elle permet de procéder à la vérification empirique de diverses hypothèses. La notion marxienne, en tenant compte de la diminution des contraintes et du développement des stimulations, permet un amoindrissement de l'aliénation de même qu'elle apparaît soutenable quand on l'applique à des groupements professionnels.En outre, les résultats obtenus ont révélé que les ingénieurs canadiens se sentent moins aliénés que les ingénieurs américains. Pour les ingénieurs canadiens, l'impression d'aliénation semble porter sur la liberté de s'adonner à la recherche, sur le climat professionnel et sur le soutien qu'ils reçoivent de l'entreprise. Tandis que, pour les ingénieurs américains, elle est imputable à la liberté de s'adonner à la recherche et au climat professionnel. Cette observation accrédite l'idée qu'il existe une différence entre les valeurs et les préférences des Canadiens et des Américains.Bien que l'étude dont il est rendu compte soit de caractère modeste, les résultats sont de nature à favoriser la distinction entre les aspects les plus et les moins susceptibles d'engendrer l'aliénation dans une structure tendant à favoriser les contraintes ou les stimulations à l'intérieur d'une entreprise de telle sorte qu'il est possible de les modifier si l'on veut diminuer l'impression d'aliénation chez les ingénieurs. En restreignant leurs investigations à un seul groupe professionnel, les auteurs furent en mesure de jauger plus précisément l'impact d'une structure contraignante sur l'aliénation. On peut considérer que cette recherche, envisagée d'une façon surtout conceptuelle, est un pas vers une meilleure compréhension de l'effet des facteurs d'aménagement sur l'aliénation d'où il reste à poursuivre cette recherche empirique avant qu'on puisse en comprendre clairement les fonctions.The purpose of the study is to empirically verify the Marxian proposition that increased (decreased) control and decreased (in-creased) professional incentives bear a positive (negative) relation to alienation; and to look for possible differences between Canadian and American engineers with regard to the relationship between alienation and control-incentive structure