Failure of the Baym-Kadanoff construction to consistently match quantum dynamics with thermodynamic critical behavior

Abstract

We disclose a serious deficiency of the Baym-Kadanoff construction of thermodynamically consistent conserving approximations. There are two vertices in this scheme: dynamical and conserving. The divergence of each indicates a phase instability. We show that each leads to incomplete and qualitatively different behavior at different critical points. The diagrammatically controlled dynamical vertex from the Schwinger-Dyson equation does not obey the Ward identity and cannot be continued beyond its singularity. The standardly used dynamical vertex alone cannot, hence, conclusively decide about the stability of the high-temperature phase. On the other hand, the divergence in the conserving vertex, obeying the conservation laws, does not invoke critical behavior of the spectral function and the specific heat. Moreover, the critical behavior of the conserving vertex may become spurious in low-dimensional systems. Consequently, the description of the critical behavior of correlated electrons becomes consistent and reliable only if the fluctuations of the order parameter in the conserving vertex lead to a divergence coinciding with that of the dynamical one.

Odhalujeme závažný nedostatek Baym-Kadanoffovy konstrukce termodynamicky konzistentních zachovávajících aproximací. V tomto schématu jsou dva vrcholy: dynamický a zachovávající. Divergence každého ukazuje fázovou nestabilitu. Ukazujeme, že každý vede k neúplnému a kvalitativně odlišnému chování v různých kritických bodech. Diagramaticky řízený dynamický vrchol ze Schwinger-Dysonovy rovnice se neřídí Wardovou identitou a nelze ho prodloužit za jeho singularitu. Samotný standardně používaný dynamický vrchol tedy nemůže jednoznačně rozhodnout o stabilitě vysokoteplotní fáze. Na druhou stranu, divergence v zachovávajícím vrcholu, splňujícím zákony zachování, nevyvolává kritické chování spektrální funkce a měrného tepla. Navíc kritické chování zachovávajícího vrcholu může být v nízkorozměrných systémech zdánlivé. V důsledku toho se popis kritického chování korelovaných elektronů stává konzistentním a spolehlivým pouze tehdy, pokud fluktuace parametru uspořádání v zachovávajícím vrcholu vedou k divergenci shodné s divergencí dynamickou.