Wie werden topologische Invarianten konstruiert?

Ich habe mehrere unterschiedliche Definitionen für sogenannte topologische Invarianten gesehen , zum Beispiel im Zusammenhang mit

Ich würde gerne ein bisschen mehr verstehen, wie sie aufgebaut sind. Sind sie Einschränkung einer generischen mathematischen Theorie (vielleicht die berühmte Chern-Konstruktion) oder werden sie für jeden Fall unabhängig konstruiert (z. B. für jede physikalische Eigenschaft, die sie haben, wie die halbe Ladung für den Majorana-Modus und den chiralen Modus für 3D-TI ) ?

Eine untergeordnete Frage (die eventuell auf einen anderen Posten verschoben werden könnte) wäre: tauchen diese topologischen Invarianten in der Berechnung einiger physikalischer Größen auf? Beispielsweise tauchte die Chern-Zahl explizit in Quanten-Hall-Systemen in der Berechnung der Leitfähigkeit auf. Was ist mit den obigen Beispielen?

Explizite Konstruktionen würden sehr geschätzt werden.

Zumindest im Fall eines topologischen 2D-Isolators zeigen Fu und Kane (entweder 2005, 2006 oder 2007), dass der Z_2-Index die "Polarisierung der Zeitumkehrung" misst (was auch immer das bedeutet). Andere haben gezeigt, dass es misst, ob ein globaler Abschnitt, der die Zeitumkehrinvarianz (in gewissem Sinne) respektiert, definiert werden kann. Das kann angeblich in einem Experiment gemessen werden. Wenn Sie etwas anderes verwenden, verwenden Sie die Bulk-Edge-Korrespondenz Z 2 invariant misst die Anzahl der Kantenzustände, die die Fermi-Energie mod 2 schneiden.

Antworten (3)

Eine topologische Invariante ist eine stetige Abbildung n :

H H n ( H ) S
wo H ist der Hamiltonoperator Ihres Systems und S ist ein topologischer Raum. H ist der Raum aller zulässigen Hamiltonoperatoren.

Leider ist die genaue Definition von H ist noch Gegenstand aktueller Forschung. Um es kurz zu machen, wir wissen ein paar Dinge darüber, was seine Elemente charakterisieren sollte: Sie sollten eine Art Lücke (spektrale Lücke oder Mobilitätslücke) haben, die es zu einem Isolator macht, falls das betrachtete System in allen Raumrichtungen unendlich ist (halb-unendliche Randsysteme dürfen Leiter sein, sollten aber von lückenhaften unendlichen Systemen abstammen). Sie sollten lokal sein (außerdiagonale Matrixelemente haben, die im Abstand zwischen den beiden Raumpunkten des Matrixelements exponentiell abfallen). Sie sollten wie alle Hamiltonianer selbstadjungiert sein. Sie sollten möglicherweise bestimmten Symmetrien gehorchen, dh mit einem (festen) unitären oder anti-unitären Symmetrieoperator kommutieren oder anti-kommutieren.

Bisher waren die einzigen konstruierten topologischen Invarianten solche S ist gleich Z oder Z 2 . Aber das ist nicht in Stein gemeißelt. Das Ergebnis des Habens S diskret ist, dass stetige Abbildungen darin lokal konstant sind, daher der Name invariant .

Wie ist so ein n konstruiert?

1) Überlege dir eine Karte n , und beweise, dass sie stetig ist. Wenn ich mich nicht irre, so ist die FKM-Invariante entstanden.

2) Verwenden Sie eine mathematische Theorie der (Homotopie-) Klassifikation von Räumen, um systematisch Invarianten zu erzeugen. Wenn Sie weiterhin davon ausgehen, dass Ihr System übersetzungsinvariant ist (eine physikalisch schlechte Entscheidung, da zum Beispiel Unordnung notwendig ist, um Schlüsselmerkmale des IQHE zu erklären), können Sie es anzeigen H als Raum von Vektorbündeln und verwenden Sie dann die Theorie der Klassifikation von Vektorbündeln. Eine Einführung finden Sie in dem Buch von Milnor mit dem Titel "Characteristic Classes". Die erste Chern-Zahl ist ein Beispiel für eine Invariante, die auf diese Weise in der wegweisenden Arbeit von TKKN konstruiert wurde. Wenn Sie keine Translationsinvarianz annehmen, betreten Sie das Reich der nicht-kommutativen Geometrie und dann gibt es eine parallele Theorie der charakteristischen Klassen, die von Alain Connes entwickelt wurde. Hier sind die Vektorbündel ersetzenden mathematischen Objekte Projektionen in C-Stern-Algebren. Ihre Homotopietheorie heißt "C-Star-Algebra K-Theorie" und ein gutes Buch für den Anfang ist Rordams . Dann wäre die Parallele zu Milnors Buch in dieser Umgebung Higsons Buch mit dem Titel "Analytic K-Homology".. Jetzt gibt es eine Formel für die nicht kommutative erste Chern-Zahl, die keine Bloch-Zerlegung erfordert (nur ein Beispiel, das das Beispiel der ersten Chern-Zahl ergänzt). Diese Ansicht wurde von Jean Bellissard vertreten. Ob in kommutativer oder nicht-kommutativer Geometrie, die Konstruktion solcher Invarianten ist völlig systematisch und lässt keinen Raum für Wahlmöglichkeiten. Beachten Sie jedoch, dass diese Klassifizierung nicht vollständig ist, sodass weitere Invarianten über den Rahmen von (kommutativen oder nicht kommutativen) Merkmalsklassen hinaus konstruiert werden können.

Soweit ich die Dinge verstehe, wurde erst im IQHE zuerst die physikalische Größe berechnet und dann später als topologisches Objekt "erkannt". Ich denke, alle anderen Invarianten wurden bisher umgekehrt konstruiert. Das heißt nicht, dass sie keine physikalisch messbare Bedeutung haben. Eine weitere interessante Frage ist, ob diese Größen die Reaktion des Systems auf eine treibende Kraft darstellen (wie im IQHE-Fall, wo die Hall-Leitfähigkeit eine lineare Reaktion auf die Ansteuerung des Systems mit einem elektrischen Feld ist, das über die Formel von Kubo berechnet wird). Die Antwort auf diese Frage scheint "Nein" zu lauten, und der FKM-Index ist wahrscheinlich ein Gegenbeispiel.

vielen Dank für diese nette Antwort. Können Sie bestätigen, dass Rordams Buch "An Introduction to K-Theory for C*-Algebras" ist? Und dass das Buch, das Sie von Higson erwähnen, tatsächlich zusammen mit J. Roe verfasst (oder vielleicht übersetzt) ​​wurde? Danke nochmal.
@FraSchelle, ja zu beidem. Links habe ich hinzugefügt.
Können Sie Ihre Aussage näher erläutern, dass Sie in den Bereich der nichtkommutativen Geometrie eintreten, wenn Sie keine Translationsinvarianz annehmen?
@qm-arv Im Prinzip ist es unser Ziel, Hamiltonianer zu klassifizieren. Da sie eine spektrale Lücke haben, die der Klassifizierung von Projektionen entspricht. Eine Möglichkeit, dies zu tun, ist mit der K 0 Gruppe einer C-Stern-Algebra, die alle zulässigen Hamiltonoperatoren enthalten würde. Wenn Sie nun weiter davon ausgehen, übers. Invar. dann ist das gleichbedeutend mit der Klassifizierung von Vektorbündeln, da die Projektionen jeweils einen Raum definieren k Punkt im Brillouin-Torus.
Ich bin neugierig, am Ende Ihrer Antwort haben Sie über die topologische Invariante als lineare Reaktion des Systems mit einem externen Feld gesprochen. Und du hast es falsch gesagt FKM. Können Sie bitte mehr darüber sagen? (Ich weiß, dass wir für QHE kein elektrisches Feld benötigen, Laughlin hat es verwendet, um die Robustheit der Hall-Leitfähigkeit mit der Laughlin-Pumpe zu erklären). Korrigiere mich, wenn ich Bullshit rede. Weitere Details sind wie Ihre Antwort sehr hilfreich und aufschlussreich

Dieses Papier Eine kurze Anleitung zu topologischen Begriffen in den effektiven Theorien der kondensierten Materie von Akihiro Tanaka und Shintaro Takayoshi (Februar 2015), in dem die topologischen Begriffe in den effektiven Feldtheorien von CMP untersucht werden, ist möglicherweise das, womit Sie beginnen möchten. Die Übersicht erschöpft jedoch möglicherweise nicht alles, was in der Literatur erschienen ist.

Beachten Sie, dass SE-Sites dazu neigen, auf Nur-Link-Antworten herabzublicken. Vielleicht möchten Sie das Papier als Referenz verwenden und darauf basierend eine Antwort schreiben (ggf. zitieren, wenn Sie dies wünschen).
Vielen Dank für die Bearbeitung Kyle! Ich werde mich ab sofort an das Format halten! Andererseits denke ich, dass ich dem Papier nichts weiter hinzuzufügen habe, es sei denn, es werden spezifischere Fragen gestellt.
@PhysicsMath Vielen Dank für diesen Link. Nachdem ich dieses Problem einige Monate lang von Zeit zu Zeit untersucht habe, betraf meine Frage meiner Meinung nach eher die Konstruktion / Anpassung der charakteristischen Klasse, die mit einem bestimmten Problem verbunden ist. Sind die topologischen Invarianten nur eine Reduktion einiger Chern oder von Anfang an aus verschiedenen Methoden und Argumenten konstruiert? Ich muss gestehen, dass ich auf diesem Gebiet noch zu unwissend bin, um eine klare Frage zu stellen. Danke nochmal.

Eine topologische Invariante in kondensierten Materiesystemen ist eine Zahl, die sich unter einer glatten Deformation des Hamilton-Operators nicht ändert. Ich stelle mir dies gerne als Dehnung eines Materials vor, das beispielsweise die Sprungkonstanten ändern würde. Nun, die Art und Weise, wie man eine solche Zahl nehmen kann, kann variieren, und ich glaube nicht, dass es eine Einschränkung in der Definition gibt, noch dass es eine tiefe Verbindung gibt.

Zum Beispiel:

In einem Gaped-System könnte man die Berry-Phase verwenden, um eine solche Invariante in einem Bereich des Parameterraums zu berechnen. (eine Z-Invariante)

Ein anderer Fall wäre, wenn man antwortet, ob es degenerierte Punkte in der Brilloin-Zone gibt oder nicht. Die Antwort ist ja oder nein (Z2-Invariante).

Dies scheint die Definition der topologischen Invariante zu geben, während OP eine Erklärung dafür wollte, wie man die Invariante konstruiert .