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非厄米物理前沿(II) | 《物理学报》专题

已有 2392 次阅读 2022-9-22 17:32 |系统分类:论文交流

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编 者 按


传统量子力学所描述的系统通常是独立并且与外界没有相互作用的理想系统,这就要求哈密顿量为厄米算符以保证系统随时间演化的幺正性以及能谱的完全实数性。然而在实际工作中,由于非厄米哈密顿量描述的简便性,其被技术性的引入描述一些唯象理论。如 Herman Feshbach提出投影算符理论应用于核物理的研究。非厄米哈密顿量也可在量子光学中描述耗散过程,在量子化学中描述化学反应过程等。非厄米哈密顿量在描述开放系统中衰减机制、有限的特征时间以及退相干等现象时取得了巨大的成功,但是由于它所带来的复数本征值,其依然被大家认为是非物理的。二十世纪九十年代,Bender和 Boettcher发现具有宇称-时间反演 (PT)对称性的非厄米算符依然可以具有完全实数的能谱,即可观测量为实数。这一所谓的“非物理公认”被推翻。随后很多研究者致力于非厄米系统的研究,发现了非厄米系统中独有的奇异点、PT 对称相变、几率震荡等诸多新奇物理性质和现象。基于傍轴近似下麦克斯韦方程与薛定谔方程的类比,研究者们在光学系统中成功地仿真了非厄米哈密顿量。非厄米量子力学的基本理论在光学平台上得到了有效的检验。这些基础性工作极大地促进了非厄米理论与实验的快速发展。


除了静力学上的特殊性质,非厄米系统还表现出许多在厄米系统中从未出现过的特殊动力学行为,其中一个显著特征是奇异点动力学。奇异点是非厄米系统特有的能谱简并结构,其对应的本征态出现合并,导致不完备的希尔伯特空间。狄拉克几率不守恒以及奇异点的存在造就了非厄米系统不同于厄米系统的特殊动力学行为。奇异点相关的非平衡物理在单体系统中得到了深入的研究,在多体系统中也有涉及。非厄米性和相互作用之间的结合必定会产生奇异的量子多体效应,并且可以极大地改变厄米物理中已经确立的宏观行为。


非厄米物理广泛存在于包括光学、声学、经典波、冷原子、凝聚态体系等物理系统中,其中具有许多超出厄米系统范式的新颖物理性质,因此对非厄米新奇物性的深入理解和精准调控可以为非厄米物理在各类系统中的应用奠定基础。近十年,这一领域取得了许多令人瞩目的研究成果,国内外许多优秀的科研团队做出了卓越的研究成果。相关研究成果不仅具有重要的学术价值,同时也从一定程度上引领了物理学的发展以及未来科技进步的方向。基于此,本专题特别邀请了活跃在该领域的专家学者,从不同的物理系统,多方面的视角去介绍该领域的研究背景、相关重要研究问题以及未来可能的发展方向,希望本专题可以对感兴趣的读者有所裨益。


客座编辑
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刘伍明,中国科学院物理所研究员,博士生导师,国家杰出青年基金获得者,国家重点基础研究发展计划首席科学家,国家重点研发计划 “量子调控与量子信息”重点专项首席科学家。研究领域为原子分子物理、光物理和凝聚态物理中的新奇量子现象。发展可积模型、量子场论等解析方法和团簇动力学平均场方法等数值方法,研究具有自旋-轨道耦合、非厄米、强关联、无序效应等量子多体系统的基态、激发态、拓扑态的精确解及其奇异性质。在SCI收录的刊物上发表论文 435 篇,综述文章 20 篇,英文专著 5 部,获发明专利 5 项。被 SCI引用 15,500 次,H 因子 65。


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金亮,南开大学教授,博士生导师。主要从事非厄米物理系统的性质、动力学、及应用的理论研究,包括离散非厄米系统、非厄米光子学、非厄米拓扑等。在Nature CommunicationsPhysical Review Letters/A/B/ResearchChinese Physics Letters等SCI期刊发表论文60余篇。


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闫振亚,中国科学院数学与系统科学研究院研究员,博士生导师。主要研究数学物理和可积系统及多学科交叉应用,包括怪波、非厄米PT对称、RH问题、符号-数值计算和PDE机器学习等,承担国家杰出青年基金等项目。


专题文章


非厄米线性响应理论及其应用

潘磊

物理学报.2022, 71 (17): 170305.

doi: 10.7498/aps.71.20220862

原文链接    PDF

摘要:线性响应理论是现代物理实验尤其是量子物态测量实验的理论基础,其核心是将物理系统的探测信号作为微扰,利用系统在未受扰动时的关联函数来刻画物理可观测量的响应。半个多世纪以来,基于封闭量子系统的线性响应理论在量子物态测量实验上取得了巨大的成功。随着超冷原子实验在光场与系统相互作用精确操控方面的快速进展,近年来高精度的冷原子实验已经具备研究耗散量子多体系统的条件,新奇的物理现象在实验中层出不穷,这使得国内外研究者对量子开放系统及其非厄米物理的研究与日俱增。基于此,我们发展了一个量子开放系统的线性响应理论—非厄米线性响应理论。该理论将耗散带来的非厄米效应与量子噪声作为外部探测输入来探测量子系统的性质,并将实验可观测量的含时演化与系统未受扰动状态时的关联函数及其谱函数联系了起来,提供了区分正常物态和奇异物态的一种新手段,所得到的结果与最近冷原子系统实验的结果高度吻合。本文介绍了非厄米线性响应理论,并讨论该理论在量子多体系统以及具有时间反演对称性的量子系统中的应用。


畴壁系统中的非厄米趋肤效应

邓天舒

物理学报.2022, 71 (17): 170306.

doi: 10.7498/aps.71.20221087

原文链接    PDF

摘要:非厄米趋肤效应是近几年非厄米物理研究领域中的热点问题,它揭示了非厄米系统中体态波函数和能谱计算会敏感依赖于边界条件的新奇现象。人们提出广义布里渊区的概念用以刻画非厄米系统中的体态波函数和能带性质。基于广义布里渊区计算的非布洛赫拓扑数可以重新构建非厄米拓扑体边对应关系。然而,过去关于非厄米趋肤效应的讨论主要针对开放边界条件,如果采用畴壁边界条件,广义布里渊区和非布洛赫拓扑数的计算都需要重新考虑。本文综述了近几年关于畴壁边界条件下非厄米趋肤效应的若干研究工作,首先从一般的一维非厄米单带模型出发,推导广义布里渊区方程的一般形式;然后回顾了非厄米SSH (Su-Schieffer-Heeger)模型中广义布里渊区和非布洛赫拓扑数的计算;最后在一维光量子行走的系统中,介绍了实验上非厄米趋肤效应的实现和非厄米拓扑边缘态的探测。


宇称-时间对称与反对称研究进展

唐原江,梁超,刘永椿

物理学报.2022, 71 (17): 171101.

doi: 10.7498/aps.71.20221323

原文链接    PDF

摘要:在标准量子力学中,描述物理系统的哈密顿量一般是厄米的,以保证系统具有实能谱及系统演化的幺正性。近些年来,研究发现具有宇称-时间(parity-time,PT)对称特性的非厄米哈密顿量也具有实能谱,并且在PT对称相和PT对称破缺相之间存在一个新奇的非厄米奇异点,这是厄米系统所不具有的。最近,人们在各种各样的物理系统中实现了PT对称和PT反对称的非厄米哈密顿量,并演示了新奇的量子现象,这不仅加深了对基本量子物理规律的理解,也促进了应用技术的突破。本综述将介绍PT对称和PT反对称的基本物理原理,总结在光学系统和原子系统中实现PT对称和PT反对称的方案,并回顾利用PT对称系统非厄米奇异点进行精密传感的研究。


非厄米临界动力学及其在量子多体系统中的应用

张禧征,王鹏,张坤亮,杨学敏,宋智

物理学报.2022, 71 (17): 174501.

doi: 10.7498/aps.71.20220914

原文链接    PDF

摘要:近些年来,非厄米与强关联两种元素开始融合并形成物理学中的一个重要研究领域,相关理论与实验的进展重塑了人们对于物质的理解。在该领域中,研究对象并不局限于非厄米元素对多体系统能谱以及本征态性质的影响,研究者们更加关注对量子态的操纵。例外点作为非厄米量子力学区别于厄米量子力学中最显著的特征得到了大家广泛的关注。除了围绕能谱例外点的非厄米拓扑能带理论以及量子探测等最新进展外,本文重点阐述以能谱例外点为基础的临界动力学现象及其在量子多体系统中的应用。当系统处于能谱例外点上时,属于例外点合并子空间中的任意初始态都将投影到体系的合并态上。基于量子态演化的方向性,本文回顾了近年来本课题组在量子自旋系统所发现的外场诱导的动力学磁化、横场Ising模型中的有限温相变、中心-环境系统中的量子铸模以及非厄米强关联系统中的超导态制备等几个代表性工作,着重讨论了与例外点相关的新的非平衡量子态制备方法以及探测方案。


基于Aharonov-Bohm笼的非厄米趋肤效应抑制现象

陈舒越,蒋闯,柯少林,王兵,陆培祥

物理学报.2022, 71 (17): 174201.

doi: 10.7498/aps.71.20220978

原文链接    PDF

摘要:能带理论在光学领域的应用为控制光传输提供了有效手段,非厄米趋肤效应的发现扩展了传统能带理论的范畴,能够实现新型光局域和单向传输现象。然而在光学体系,如何有效地产生并调控非厄米趋肤效应仍然是重要的研究主题。本文研究了具有规范势的准一维菱形光晶格中的非厄米趋肤效应,通过计算本征能谱、环绕数和模式演化特性,发现规范势能够对趋肤效应强弱进行有效调节。当规范势大小为π时,趋肤效应被完全抑制,而由Aharonov-Bohm笼效应引起的平带局域占主导。利用间接耦合微环谐振腔阵列,可同时产生合成光子规范势和非对称耦合,为研究Aharonov-Bohm笼和趋肤效应的竞争机制提供了可能的实现方案。本研究结果为利用规范势调控趋肤效应提供理论基础,在发展片上非磁性单向传播器件也具有潜在的应用前景。


一维PT 对称非厄米自旋轨道耦合Su-Schrieffer-Heeger模型的拓扑性质

李家锐,王梓安,徐彤彤,张莲莲,公卫江

物理学报.2022, 71 (17): 177302.

doi: 10.7498/aps.71.20220796

原文链接     PDF

摘要:理论上分析了受自旋指标调控并施以增益和损耗复势能的一维非厄米自旋轨道耦合Su-Schrieffer-Heeger (SSH)模型的拓扑性质和能谱特性。发现虚势能导致体系的拓扑非平庸区出现能谱虚化,而在拓扑平庸区发生PT相变。此外,虚势能和自旋轨道耦合共同作用使得拓扑平庸区中发生拓扑相变,并且拓扑非平庸区变宽。能谱结果显示,虚势能和自旋轨道耦合对于体系的零能态有明显的调控作用,主要在于出现了4种局域性、数目均不同的零能态。这说明虚势能和自旋轨道耦合对体系的能带结构的特殊调节效果。本文有助于理解PT对称非厄米系统的拓扑相变行为。


专题文章网站链接:

http://wulixb.iphy.ac.cn/custom/topics

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