【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實驗室杜江峰、榮星等人基于單自旋體系開展非厄米物理實驗研究，首次觀測到非厄米非阿貝爾拓?fù)滢D(zhuǎn)變和一種新型奇異點——狄拉克奇異點，這兩項進(jìn)展分別以“Non-Hermitian non-Abelian topological transition in the S=1 electron spin system of a nitrogen vacancy centre in diamond”和“Experimental observation of Dirac exceptional points”為題，發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》和《物理評論快報》上，其中后者被選為“編輯推薦”文章。
非厄米體系有著一系列獨(dú)有的新奇物理現(xiàn)象，在量子控制、拓?fù)湮锢淼确矫嬗兄鴱V泛而深遠(yuǎn)的研究價值。近期的研究表明，多能級的非厄米系統(tǒng)中可以產(chǎn)生豐富的非阿貝爾拓?fù)洮F(xiàn)象，以及種類豐富的奇異點，其中蘊(yùn)含著奇異點之間相互作用的物理機(jī)制，是非厄米物理體系中眾多應(yīng)用的基礎(chǔ)。由于對多能級非厄米系統(tǒng)量子態(tài)的高精度、高自由度操控極具挑戰(zhàn)性，這使得許多重要的非阿貝爾物理現(xiàn)象和新型的奇異點尚未被實驗觀測。
研究組近年來基于單自旋體系開展了一系列非厄米物理實驗研究：首先發(fā)展了一類實現(xiàn)非厄米哈密頓量的普適方法[Science 364, 878 (2019)]，觀測到二能級非厄米系統(tǒng)中的手性模式轉(zhuǎn)換現(xiàn)象[Physical Review Letters 126，170506 (2021)]，并進(jìn)一步將非厄米物理研究推進(jìn)到三能級系統(tǒng)，實現(xiàn)三階奇異線的觀測[Nature Nanotechnology 19, 160 (2024)]，為此次兩項成果的取得提供了必要的基礎(chǔ)。
第一項成果基于研究組與中國科學(xué)院物理研究所胡海平研究員合作，研究了非厄米非阿貝爾拓?fù)滢D(zhuǎn)變現(xiàn)象，并在單自旋體系中首次實現(xiàn)了實驗觀測。實驗結(jié)果表明，不同類型的奇異點之間的相互作用會導(dǎo)致非阿貝爾拓?fù)滢D(zhuǎn)變。在拓?fù)滢D(zhuǎn)變發(fā)生前后，體系的能譜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。此時通?？坍嬻w系拓?fù)湫再|(zhì)的不變量——拓?fù)浜桑瑳]有發(fā)生變化；一種非阿貝爾的拓?fù)洳蛔兞?mdash;—能譜編織，發(fā)生了改變。所以這種拓?fù)滢D(zhuǎn)變無法由服從阿貝爾規(guī)律的拓?fù)浜蓙肀碚?，而非阿貝爾的編織不變量則可以完備的刻畫該過程。不僅如此，研究組還觀測到一種新奇的現(xiàn)象，在拓?fù)滢D(zhuǎn)變發(fā)生后，一對帶有相反拓?fù)浜傻亩A奇異點，在融合時沒有湮滅，而是產(chǎn)生了一個三階奇異點。實驗結(jié)果展示了非阿貝爾拓?fù)滢D(zhuǎn)變對系統(tǒng)能譜結(jié)構(gòu)和奇異點性質(zhì)的重要影響。
圖1 非厄米非阿貝爾拓?fù)滠S遷。(a)和(b)展示了由于不同類型奇異點之間的相互作用導(dǎo)致的非阿貝爾轉(zhuǎn)變。(c)和(d)展示了能譜編織作為拓?fù)洳蛔兞繉Ψ前⒇悹栟D(zhuǎn)變的刻畫。
第二項成果為首次實驗觀測到一類新型奇異點——狄拉克奇異點。這一類型的奇異點附近本征值為純實數(shù)，且隨參數(shù)變化滿足線性色散關(guān)系，這與傳統(tǒng)奇異點附近的根號色散規(guī)律截然不同。實驗結(jié)果還展示了狄拉克奇異點處本征態(tài)的簡并，這表明該奇異點并非厄米簡并點。值得一提的是，該奇異點附近本征值純實數(shù)的特性，為在非厄米系統(tǒng)實現(xiàn)絕熱演化以及避免虛數(shù)本征值引入的耗散提供了可能。該成果得到PHYS.ORG網(wǎng)站以“The first experimental observation of Dirac exceptional points”為題專文評述。
圖2 狄拉克奇異點。圖中展示了狄拉克奇異點既有附近為實數(shù)的能譜，又有本征態(tài)簡并的特性。
這兩項工作為在多能級體系開展非厄米物理研究奠定了基礎(chǔ)。一方面為研究非厄米系統(tǒng)中的新奇拓?fù)湮锢憩F(xiàn)象提供了支持，另一方面也使得在未來有望通過調(diào)控非厄米系統(tǒng)的能譜構(gòu)型，推動在量子控制、非互異性傳輸?shù)确矫娴膽?yīng)用。
值得一提的是，上述研究的順利開展與該團(tuán)隊王亞教授多年來在高品質(zhì)金剛石合成與制備上的研究密不可分。王亞課題組成功制備碳-12同位素豐度高達(dá)99.999%的金剛石樣品，有效抑制了制約單電子自旋量子相干時間的核自旋熱庫噪聲，為實驗成功提供了必要條件。
第一項工作的共同一作為王云漢博士研究生和伍旸博士，通訊作者為胡海平研究員、榮星教授和杜江峰院士；第二項工作的共同一作為伍旸、朱東方昊和王云漢，通訊作者為榮星教授和杜江峰院士。
研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院和安徽省的資助。
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