前沿进展 | 首次在实验上观测到非厄米准晶中的多重相变与迁移率边

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，北京计算科学研究中心薛鹏教授团队及合作者在非厄米拓扑量子系统的研究中取得重要进展, 首次在量子行走体系中观测到了非厄米准晶中的多重相变与迁移率边。

研究成果以“Topological phase transitions and mobility edges in non-Hermitian quasicrystals”为题于2022年9月8日发表在Physical Review Letter上。

2022 | 前沿进展

02 研究背景

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当考虑开放系统时, 非厄米能够带来许多有趣性质, 例如PT对称性,、趋肤效应、非布洛赫体边对应关系等, 而这些性质是不能在厄米体系中找到对应的。人们对于在封闭系统中一维准晶模型已经开展了广泛的研究, 包括准周期结构导致的波函数局域化, 整数量子霍尔效应等。

同样, 在开放体系中考虑准晶模型, 更多新奇的物理性质将会出现，例如在图1中展示的包括局域化、PT对称性、趋肤效应的三重相变, 以及局域化过程中所出现的迁移率边等。 

图1 实验装置与拓扑相变

03 研究创新点

薛鹏团队及合作者通过时间域光量子实验平台, 实验上模拟了非厄米且具有PT对称的Aubry-André-Harper (AAH)模型, 通过添加依赖于位置和偏振的无序相位来实现准周期势场。在此基础上，他们还通过设计动力学观测：力学逆参与比(dIPR)(图2)、雅普诺夫指数(图3)和演化的光子总几率(图4)等，并在实验上观测到多重相变的过程。

迁移率边作为研究安德森局域化问题的一个重要物理现象在近年来得到了广泛的研究。在传统的AAH模型中，由于模型的自对偶性, 一般情况下并不具有迁移率边, 而在该团队的体系中, 由于非厄米的引入, 他们发现体系中存在区分出拓展和局域态的临界能量(迁移率边), 且这一现象能够很好地被dIPR所衡量, 并通过这一点首次在实验上观测到了在准晶体中由非厄米性所引起的迁移率边(图2)。

图2 迁移率边的观测

图3 非厄米趋肤效应的观测

这一实验工作揭示了在厄米准晶中所不具有的非平凡现象, 奠定了拓扑相变中临界行为的研究方法, 利用高度灵活且可控的实验体系为未来的研究拓宽了道路。

图4 PT对称相变的观测

04 总结与展望

这项研究是该团队继观测新型非厄米拓扑体边对应关系[Nat. Phys. 16，761–766 (2020)]，非布洛赫宇称时间对称相变的观测[Phys. Rev. Lett. 126，230402 (2021)]，非布洛赫拓扑不变量的直接测量[Phys. Rev. Lett. 127，270602 (2021)]，非厄米拓扑安德森绝缘体的观测[Nat. Commun. 13 (1), 1-8 (2022).]之后，在非厄米系统新奇物性研究方面取得的又一重要成果。

该论文的理论合作者为中国科学技术大学易为教授, 第一作者为薛鹏教授指导的北京计算科学研究中心博士生林泉。该成果得到了国家自然科学基金的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.113601

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编辑 | 方紫璇

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