尔势的调制,原始的布里渊区会被折叠、复制,形成更小的摩尔布里渊区,并且不同复制品之间通过摩尔势耦合。
张诚意识到,这个过程可以抽象地看作:一个底空间(basespace),对应于摩尔布里渊区(本身可能具有复杂形状,甚至边界);在这个底空间上,“纤维”
(fiber)不再是简单的复数或向量丛,而是一个非交换的代数,这个代数编码了原始双层石墨烯在某个k点附近的自由电子动力学(即狄拉克锥物理)以及层间耦合的详细信息!
换句话说,他不再试图在实空间构造一个全局的非交换空间,而是转向动量空间,构建一个以摩尔布里渊区为底、以非交换代数(描述局域电子动力学与耦合)为纤维的“非交换纤维丛”
(nonutativefiberbund1e)!
这个想法极具颠覆性!
它将复杂的全局非交换结构,分解为底空间的几何(摩尔布里渊区的拓扑,这可以用经典微分几何处理)和纤维的非交换代数(描述局域物理,这相对更可控)两部分。
这大大简化了问题,同时又保留了非交换几何的核心精神——用代数代替空间!
灵感一旦产生,后续的推导便如同开闸泄洪,变得顺畅起来。
张诚立刻投入到这个新框架的构建中。
他先严格定义了底空间——考虑摩尔势对称性后的精确摩尔布里渊区,并分析了其可能的奇异点(如狄拉克点折叠后的新奇点)和整体拓扑。
然后,他着手定义纤维上的非交换代数。
他选择了一种巧妙的方式:将双层石墨烯在某个k点附近的低能有效哈密顿量(通常是2x2或4x4的矩阵,包含层内和层间跳跃),本身看作一个矩阵代数。
这个矩阵代数,就是纤维!
不同的k点,对应着不同的矩阵代数(因为有效哈密顿量依赖于k)。
而摩尔势导致的不同“复制品”
布里渊区之间的耦合,则通过定义这些矩阵代数之间的“连接”
或“映射”
来体现。
这样,整个摩尔体系的低能物理,就被他描述成了一个非交换纤维丛!
底空间是摩尔布里渊区,纤维是矩阵代数,连接规律由摩尔势决定。
接下来是最关键的一步:如何从这个非交换纤维丛中,提取出物理的、可观测的拓扑信息?
他想到了陈类(c1ass)——在传统拓扑能带理论中,陈数刻画了能带的拓扑性质。
但在非交换几何中,传统的陈类定义需要推广。
张诚运用了他对循环上同调(cyc1ichoo1ogy)和非交换指标定理的深刻理解。
在非交换几何中,陈特征(es-特征形式来定义,它生活在循环上同调群中。
他进行了极其复杂和精妙的计算,将这个一般的数学理论,具体应用到了他构建的“摩尔非交换纤维丛”
上。
过程涉及大量的算子代数、k-理论和同调代数技巧。
他需要证明,在他的特定构造下,这个抽象的特征形式,确实可以给出一个整数的拓扑不变量,并且这个不变量在物理上对应于某种广义的陈数(或更高阶的拓扑不变量),即使是在强关联存在、单粒子图像可能失效的情况下!
这无疑是整个突破中最具技术含量和创造性的部分。
他几乎不眠不休地奋战了数日,书桌上的草稿纸以惊人的度堆积。
最终,他成功了!
他推导出了一个相对简洁的公式,将这个非交换陈数(nonutativeuber)用底空间的贝蒂数(bettinubers,反映摩尔布里渊区拓扑)和纤维代数(矩阵哈密顿量)的某些代数k理论不变量联系了起来。
更重要的是,他证明了,即使引入电子-电子相互作用(以某种平均场近似或考虑特定关联序参量),只要体系的某些平均场破坏后的离散对称性得以保持,这个非交换陈数在某些情况下依然是定义良好且稳定的拓扑不变量!
这意味着,他找到了一种在强关联背景下,依然能够定义和计算拓扑不变量的全新数学工具!
不仅如此,通过分析底空间摩尔布里渊区可能存在的高阶对称性(如镜面、旋转、以及摩尔体系特有的“二分之平移”
等),并结合他纤维丛
