拓扑绝缘体中的拓扑不变量及其数值计算

拓扑绝缘体是费米子多体系统中一种对称性保护的拓扑量子态,拓扑不变量是表征拓扑绝缘体的重要物理量。该文在二维无相互作用的费米子拓扑绝缘体中,证明了3种不同拓扑不变量计算公式的等价性,分析了这些计算公式的适用范围;给出了这些拓扑不变量公式的完整数值计算范式;作为范例,通过计算拓扑不变量,得到了Kane-Mele模型的相图。该文为拓扑绝缘体中拓扑不变量的计算提供了完整自洽的计算方法。     

二维拓扑超导体拓扑数的计算

研究了具有自旋轨道耦合的二维晶格模型的的拓扑结构.\ 平庸与非平庸拓扑区域以能带的能隙关闭为界.\ 首先将KITAEV 的Majorana 拓扑数$M(H)$ 推广到二维情况,在动量空间计算了二维晶格的Majorana 拓扑数和相图.\ 由$M(H)=-1$确定的非平庸拓扑区与用TKNN宇称确定的非平庸拓扑区完全一致,证明Majorana 拓扑数与TKNN 宇称是一致的.\ 但Majorana 拓扑数比TKNN宇称的计算简单.\ 文章还计算了有限宽无穷长带的能带和波函数.\ 如果参数取在非平庸参数区则长带的能带显示 Majorana零能模,而且波函数分布在长带的边界上.\ 如果参数取在平庸参数区,则能带不受拓扑保护;系统不出现零能态,或者出现偶数个零能态.     

非周期体系拓扑物态的研究进展

最近,拓扑物态的相关研究已经从晶体扩展到非周期系统,例如准晶和非晶体系.本文结合我们研究组近期的工作,简要介绍了在非周期系统拓扑物态和拓扑相变方面的若干研究进展.首先,概括了非周期系统中拓扑物态的研究背景.随后以量子自旋霍尔效应为例,具体介绍了拓扑物态在准晶体系中的推广.由于非周期体系缺乏平移对称性,因此拓扑不变量的实空间计算方法成为判定非周期体系拓扑态的有效工具.在此基础上,进一步分析了准晶中独有的拓扑态,提出了与准晶特殊旋转对称性相容的高阶拓扑态,并构建了描述准晶中分数拓扑角模的有效模型.此外,介绍了非晶系统中的拓扑物态,重点探究了由于结构非晶化导致的拓扑相变.最后,对非周期拓扑物态的相关研究和未来可能的发展方向进行了总结和展望.     

关于相对拓扑压的一个注记

通过引入映射的基的概念,运用分离集在非紧系统中定义并研究了相对拓扑压,给出了相对拓扑压的若干基本性质,并且证明了相对拓扑压是一致拓扑共轭下的不变量。     

短程相互作用对准粒子相对论动力学的影响

通过调节短程相互作用，在Su-Schrieffer-Heeger(SSH)模型中实现了Dirac点的移动与融合.该过程对应于一种由半金属相到能带绝缘相的拓扑相变(即Lifshitz相变).通过解析和数值研究的方法，对该相变过程中系统准粒子的相对论动力学特性进行了研究.结果表明:在短程相互作用很弱的情况下(即Dirac点融合前)，系统展现出相对论动力学特征; 然而，随着短程相互作用的增强，Dirac点会发生融合相变.此后，系统则表现为非相对论动力学特征.因此，相变过程是由相对论到非相对论动力学转变的过程.进一步通过数值模拟得到了融合前(相对论)后(非相对论)粒子的密度分布随时间演化的图像.在相变前，单色Dirac准粒子发生劈裂，而双色Dirac准粒子产生定向漂移现象.在相变后，无论初态如何改变，系统始终无组分劈裂现象出现.最后，展示了不同相互作用下准粒子的质心运动曲线(世界线).     

推广的Su-Schrieffer-Heeger模型的拓扑相图及其表征拓扑相的有限尺度能谱和边界模

拓扑不变量如陈数、Z₂拓扑不变量等是表征拓扑非平庸固体系统的拓扑物相的特征量,其来源于固体周期边界条件下的能带即体能带所具有的不为零的Berry相.在开边界条件下,具有拓扑非平庸物相的系统的有限尺度能谱将出现位于能隙中的能带,并且这些能带可能对应着一个边界模.推广了一维Su-Schrieffer-Heeger模型,通过计算其拓扑不变量即Zak相,得到了其包含几个不同拓扑相的拓扑相图.在开边界条件下,研究了这些拓扑相对应的有限尺度能谱以及系统处于这些物相时能谱能隙中的能带所对应的边界模,进而采用有限尺度能谱和其能隙中的能带所对应的边界模表征了这些不同的拓扑相.     

分子拓扑不变量的定量指标

通过分析分子图拓扑结构对物性的贡献,描述分子拓扑不变量的定量指标,以便详细地概括和综述Wiener拓扑指数的基本概念及性质,从而给出两种计算Wiener拓扑指数的计算方法     

一种复合的自治域级拓扑发现方法

随着网络技术的发展,面对新的挑战,传统网络逐渐力不从心,软件定义网络（software-defined network, SDN）领衔的未来网络应运而生,随之而来的是各类网络测量技术纷纷针对未来网络发生演变,但拓扑结构测量在传统网络环境下的作用仍然不可忽视。在自治域级的网络拓扑中,每个自治域都可以简化为一个点,而用两点之间的连线表示自治域间的邻接关系。近年来有许多相关的研究展示了不同的拓扑发现算法。提出了一种简单高效的方法来推断自治域级的拓扑,利用在网络中部署高速采集器采集边界网关协议（border gateway protocol,BGP）路由器上的路由表以及BGP协议的更新信息来推断网络拓扑结构,并判定自治域的相关属性。实验证明了该方法能够达到预期效果,全面、准确地推断网络在自治域级的拓扑结构。     

节点面晶体的拓扑特性

提出了实现节点面晶体的冷原子晶格方案, 讨论了节点面晶体的拓扑特性.通过调节激光参数, 系统可以实现3种不同相(拓扑节点面金属相, 拓扑平庸的金属相以及拓扑平庸的能带绝缘相)之间的相变.分别讨论了系统处于不同相态下,其节点面、能带、表面态和态密度的变化情况.结果表明:当系统处于节点面半金属相时, 晶体中存在拓扑保护的边缘流;而相变后系统为拓扑平庸态.通过研究不同晶面讨论了这种三维拓扑金属在不同截面的变化特性, 结合表面态和电子态密度, 可以更好地反映系统的拓扑特性.     

二维蜂窝弹性材料拓扑态的研究

将谷拓扑态的概念引入弹性材料，设计了一种二维蜂窝弹性声子晶体，当系统受反演对称性保护时，在K(K′)点处出现3个线性简并的狄拉克点，分布在不同的频段.通过调整其几何结构参数，破坏体系的空间对称性，使得在K(K′)点处的狄拉克点打开，形成能谷.这种多频段的能谷之间存在连接上、下体带的边缘态，在弹性材料中利用边缘态实现拓扑输运，可以设计出有良好性能的声学器件，具有一定的研究价值.     

一维非幺正分离时间量子行走的拓扑特性的检测

文章在分离时间量子行走的硬币算符和条件平移算符中各引入一个可调控的参数,并在每步的演化过程中增加描述测量的非幺正算符,研究非幺正量子行走的拓扑特性。首先计算系统硬币本征态对应的极化矢量随系统动量在第一布里渊区内变化一周时的绕数,并将其作为拓扑不变量表征系统的拓扑特性,给出在可控参数空间内的拓扑相图;接着验证了在不同拓扑相的边界处存在有拓扑保护的边界态;最后计算了可测量平均位移,并说明用其可以测量系统随可控参数变化的拓扑相变。     

周期驱动双击转子系统中的拓扑相变

文章在双击转子模型的Floquet算符中加入可调参数的硬币算符,以此改变每一单步演化后的硬币态,研究可调硬币参数对系统拓扑特性的影响。通过计算系统Floquet准能谱和绕数拓扑不变量,发现随着硬币参数的改变,系统存在受手征对称保护且由大绕数值表征的拓扑相。进一步数值计算有限长度动量空间中的系统能谱及本征函数系,发现在边界处存在0能或π能边缘态,边缘态数目与绕数值的大小一致,表明系统满足体-边界对应原理。     

管壳式相变蓄冷单元传热肋片拓扑优化设计

针对管壳式相变蓄冷单元传热肋片结构设计固化,概念设计缺乏理论指导,强化换热效果有限等问题,基于拓扑优化理论,构建二维管壳式相变蓄冷单元的物理模型并进行有限元分析;选取最终时刻平均温度为目标函数,以肋片材料体积占比为约束条件构建管壳式相变蓄冷单元二维肋片拓扑优化模型;对模型进行特征求解得到肋片清晰的拓扑轮廓以及动态演化特性。在上述研究基础上,进一步分析了不同肋片体积占比下所得优化拓扑构型的异同,得出20%的体积占比是综合考虑优化效果和成本的较优值。对比相同肋片体积分数下直肋单元与拓扑优化肋单元的蓄冷特性,结果发现,采用拓扑优化肋片的蓄冷单元中蓄冷速率较直肋提高了41.7%,最终时刻设计域的平均温度较直肋降低了3℃左右,从而验证了拓扑优化在相变蓄冷单元传热结构优化方面的优势。     

考虑局部稳定性约束的杵架拓扑优化设计

研究单工况作用下考虑稳定性约束的圆截面桁架拓扑优化问题，以内力为设计变量将问题改写为线性约束下的数学规划；在单纯形法的基础上，提出了一个修正的算法，通过求解这个数学规划，得到了满应力的静定最优解，为了避免不稳定结构拓扑的产生，对优化结果进行了机动性分析。还将结果与不考虑稳定约束的拓扑优化结果作了比较，提供了有价值的启示，大量算例表明，本方法实用、有效，可以很方便地应用于实际工程设计。     

二维不对称两组分费米气体的拓扑相变

研究了二维不对称两组分费米气体在零温时的相和相变,划分出不同极化率下正常相和Sarma相的区域.通过能隙和化学势在BCS-BEC渡越过程中的不连续性证明了量子拓扑相变的存在,并着重讨论了不同的配对质量对相变的影响,最后给出了相应的相图.     

拓扑系统范畴与子拓扑系统

拓扑系统是目前最广泛的拓扑学研究对象，它以点集拓扑空间、Ｌｏｃａｌｅ的空间化、模糊拓扑空间与拓扑分子格为特例，它可用来研究计算机程序语言的指称语义的Ｄｏｍａｉｎ理论．拓扑系统与它们的连续映射构成一个范畴，本文讨论这一范畴的基本理论，并引入子拓扑系统概念，得到了拓扑系统Ｄ可嵌入拓扑系统Ｅ中当且仅当Ｄ同胚于Ｅ的某子拓扑系统．     

考虑局部稳定性约束的桁架拓扑优化设计

研究单工况作用下考虑稳定性约束的圆截面桁架拓扑优化问题，以内力为设计变量将问题改写为线性约束下的数学规划；在单纯形法的基础上，提出了一个修正的算法，通过求解这个数学规划，得到了满应力的静定最优解，为了避免不稳定结构拓扑的产生，对优化结果进行了机动性分析。还将结果与不考虑稳定约束的拓扑优化结果作了比较，提供了有价值的启示。大量算例表明，本方法实用、有效，可以很方便地应用于实际工程设计。     

拓扑相变与物质拓扑相的理论发现——2016年度诺贝尔物理学奖成果简介

 美国物理学家索利斯（David J.Thouless）、霍尔丹（F.Duncan M.Haldane）、科斯德里茨（J.Michael Kosterlitz）因“关于拓扑相变和物质拓扑相的理论发现”获得2016年度诺贝尔物理学奖。介绍了这3位诺贝尔物理学奖获得者的学术经历,并从拓扑与拓扑相变、量子霍尔效应中的拓扑、1维量子反铁磁与对称性保护的拓扑态等方面探析拓扑相变和物质拓扑相理论发现的科学意义。     

连续体结构拓扑优化设计的ICM方法

基于独立连续拓扑变量及映射变换（ＩＣＭ）的拓扑优化方法应用于连续体结构,建立了统一的以重量为目标、考虑应力约束的连续体结构拓扑优化模型．提出基于综合评价的高效单元删除准则及算法．给出的经典的二维和三维连续体结构拓扑优化算例表明,这种统一的模型由骨架结构发展到连续体结构的拓扑优化也是成功的．该方法具有算法简单、收敛速度快和稳定性好等优点     

一种基于幂律的Internet动态拓扑模型PFP~+

自治系统级的Internet拓扑模型研究是目前的一个热点问题.PFP是目前流行的Internet拓扑模型,但PFP模型无法模拟自治系统节点的消亡现象.本文对PFP模型进行了改进,综合考虑了自治系统节点的产生、消亡和链接的产生、消亡.实验证明,PFP+能更好地体现自治系统级Internet拓扑的生长过程.