Piers Coleman (nacido en 1958) [2] es un físico teórico nacido en Gran Bretaña que trabaja en el campo de la física teórica de la materia condensada . [3] Coleman es profesor de física en la Universidad Rutgers en Nueva Jersey y en Royal Holloway, Universidad de Londres .
Coleman se crió en Cheltenham, Inglaterra , donde asistió a la Cheltenham Grammar School , graduándose en 1976. Completó su educación universitaria en el Trinity College, Cambridge , cursando el Tripos de Ciencias Naturales y el Tripos de Matemáticas parte III bajo la tutoría de Gilbert Lonzarich . En 1980 ganó una beca Jane Eliza Procter para la Universidad de Princeton , donde estudió física teórica de la materia condensada [4] con Philip Warren Anderson . Entre los contemporáneos en el programa de posgrado en física de Princeton se encontraban Gabriel Kotliar , Cumrun Vafa , Nathan Mhyrvold y Jennifer Chayes . Fue galardonado con una beca de investigación junior en el Trinity College, Cambridge , que ocupó de 1983 a 1988. Fue investigador postdoctoral en el Instituto Kavli de Física Teórica de Santa Bárbara de 1984 a 1986. Se unió a la facultad de la Universidad de Rutgers en 1987. Desde 2010 también ha ocupado el puesto de presidente de la Universidad de Londres de Física Teórica de la Materia Condensada en Royal Holloway, Universidad de Londres . En 2011, Piers Coleman reemplazó a David Pines como director del Instituto de Materia Adaptativa Compleja . [5]
Coleman es conocido por su trabajo relacionado con los sistemas electrónicos fuertemente correlacionados y, en particular, por el estudio del magnetismo , la superconductividad y los aislantes topológicos . Es autor del popular texto Introducción a la física de muchos cuerpos .
En los primeros años de su carrera en la Universidad de Princeton, Coleman trabajó en el problema de las fluctuaciones de valencia en sólidos. En la década de 1960, el físico John Hubbard introdujo un operador matemático, el "operador de Hubbard" [6] para describir las fluctuaciones restringidas en la valencia entre dos estados de carga de un ion. En 1983, Coleman inventó la formulación del bosón esclavo de los operadores de Hubbard, [7] que implica la factorización de un operador de Hubbard en un fermión canónico y un bosón . El uso de fermiones canónicos permitió que los operadores de Hubbard se trataran dentro de un enfoque de teoría de campos, [8] lo que permitió los primeros tratamientos de campo medio del problema del fermión pesado. Desde entonces, el enfoque del bosón esclavo se ha aplicado ampliamente a sistemas de electrones fuertemente correlacionados y ha demostrado ser útil para desarrollar la teoría del enlace de valencia resonante (RVB) de la superconductividad de alta temperatura [9] [10] y la comprensión de los compuestos de fermiones pesados . [11]
En Rutgers, se interesó en la interacción del magnetismo con fuertes correlaciones electrónicas. Con Natan Andrei adaptó la teoría del enlace de valencia resonante de la superconductividad de alta temperatura [9] a la superconductividad de fermiones pesados . [12] En 1990 con Anatoly Larkin y Premi Chandra, exploraron el efecto de las fluctuaciones magnéticas térmicas y de punto cero en imanes Heisenberg frustrados bidimensionales. [13] La sabiduría convencional sostenía que debido al teorema de Mermin-Wagner , los imanes Heisenberg bidimensionales no pueden desarrollar ninguna forma de orden de largo alcance . Chandra, Coleman y Larkin demostraron que la frustración puede conducir a una transición de fase de Ising de temperatura finita en un estado rayado con orden de espín-nemático de largo alcance. Ahora se sabe que este tipo de orden se desarrolla en superconductores basados en hierro de alta temperatura . [14]
Coleman, en colaboración con Alexei Tsvelik , llevó a cabo algunas de las primeras aplicaciones de los fermiones de Majorana a los problemas de materia condensada. En 1992, Coleman, Miranda y Tsvelik examinaron la aplicación de la representación de Majorana de los espines a la red Kondo, mostrando que si los momentos locales se fraccionan como fermiones de Majorana, en lugar de fermiones de Dirac, el estado fundamental resultante es un superconductor de frecuencia impar. [15] [16] Trabajando con Andrew Schofield y Alexei Tsvelik, más tarde desarrollaron un modelo para explicar las inusuales propiedades de magnetorresistencia de los superconductores de alta temperatura en su estado normal, en el que los electrones se fraccionan en fermiones de Majorana. [17]
A finales de los años 1990, Coleman se interesó en la ruptura del comportamiento del líquido de Fermi en un punto crítico cuántico . Trabajando con Gabriel Aeppli y Hilbert von Löhneysen, demostraron y establecieron la presencia de fluctuaciones críticas cuánticas locales en el metal crítico cuántico CeCu 6-x Au x , identificado como una consecuencia de la ruptura del efecto Kondo que acompaña al desarrollo del magnetismo. [18] Esto llevó a la predicción de que la superficie de Fermi cambiará de manera discontinua en un punto crítico cuántico, [19] un resultado observado más tarde en la criticidad cuántica ajustada al campo en el material YbRh 2 Si 2 [20] y en la criticidad cuántica ajustada a la presión en el material CeRhIn 5 . [21]
Después del descubrimiento de los aislantes topológicos , Coleman se interesó en si el comportamiento aislante topológico podría existir en materiales con una fuerte correlación. En 2008, el equipo de Maxim Dzero, Kai Sun y Victor Galitski y Piers Coleman predijeron que la clase de aislantes Kondo puede desarrollar un estado fundamental topológico, proponiendo al hexaboruro de samario (SmB 6 ) como un aislante Kondo topológico. [22] La observación del desarrollo de estados superficiales conductores robustos en SmB 6 es consistente con esta predicción temprana. [23] [24]
Entre los notables ex estudiantes de investigación y becarios postdoctorales de su grupo se incluyen Ian Ritchey, [25] Eduardo Miranda, [26] Andrew Schofield , Maxim Dzero, [27] Andriy Nevidomskyy [28] y Rebecca Flint [29].
Piers Coleman está casado con la física teórica estadounidense Premala Chandra y tienen dos hijos. Es el hermano mayor del músico y compositor Jaz Coleman . [30]
Junto con su hermano menor Jaz , Coleman trabajó en un sitio web de divulgación de física y conciertos Music of the Quantum . El concierto tiene piezas compuestas por Jaz Coleman , basadas en temas de la física como la criticidad cuántica, la emergencia y la ruptura de simetría. Realizaron interpretaciones de Music of the Quantum en la Capilla de Belén en Praga y en la Universidad de Columbia en Nueva York . [30] También ha producido un breve documental sobre Emergence con Paul Chaikin, como parte de la serie Annenberg Physics in the 21st Century. [31]
Coleman recibió una beca Sloan en 1988. En 2002 fue elegido miembro de la Sociedad Estadounidense de Física "por sus enfoques innovadores en la teoría de sistemas electrónicos fuertemente correlacionados". [32] En 2018 fue elegido miembro de la junta directiva del Centro Aspen de Física . Su investigación cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias, División de Teoría de Materiales, y el Departamento de Energía, División de Ciencias Básicas de la Energía.
