近日，东南大学物理学院肖磊教授，薛鹏教授团队及其合作者在非厄米动力学过程的研究中取得重要进展，他们在非厄米动力学演化中观测到“边界爆炸(edge burst)”的现象。
近年来，非厄米系统因其新奇的物理特性受到广泛关注。特别是在非厄米趋肤效应(non-Hermitian skin effect)被提出后，基于广义布里渊区(generalized Brillouin zone)所建立的非布洛赫能带理论迅速发展。此后，非厄米趋肤效应和其他物理性质结合又发展出许多丰富有趣的物理现象，例如趋肤效应导致的局域和无序导致的局域之间的竞争；趋肤效应和宇称-时间对称同时存在的非布洛赫宇称-时间对称；外加规范场对趋肤效应的抑制等。这些非厄米系统特性大都是基于静态哈密顿量的本征态和本征能谱所建立的，非厄米系统的动力学的奇特性质一直还有待探索。
汪忠教授团队在非厄米动力学演化中发现了非厄米系统的边界爆炸现象。他们在具有趋肤效应的一维耗散SSH模型中研究了单粒子的耗散行为，发现粒子一方面因为趋肤效应会向边界聚集；另一方面，因为系统的耗散，该粒子还会以一定的几率耗散到环境中。一般来说，耗散几率在靠近初始位置的时候比较大，随着远离初始位置越来越小。但是，如果系统还存在虚部能谱闭合，那么动力学过程的耗散将在远离初始位置的边界处突然加剧，也就是边界爆炸。
图1 (a)耗散模型示意图。(b)实验装置图。
薛鹏教授团队在量子光学系统中设计并实现了具有趋肤效应的非厄米量子行走，并通过对硬币抛掷参数的调控，实现虚部能谱闭合和打开。他们探测了单光子在动力学演化过程中的耗散，在满足趋肤效应和虚部能谱闭合的条件下，观测到耗散在初始位置较强，随着远离初始位置越来越弱，但是在边界位置突然急剧变强的边界爆炸现象。同时，他们还定量地研究了初始位置与边界的距离和边界爆炸强度之间的标度定律。最后，他们利用两个光子分别在两个方向上行走，演示了两维系统的“角爆炸(corner burst)”现象。
图2 边界爆炸现象演示，第一行为存在边界爆炸现象，第二行不存在边界爆炸现象。
(a)和(b)，广义布里渊区，存在趋肤效应。(c)虚部能谱闭合。(d)虚部能谱打开。(e)和(g)边界爆炸现象。(f)和(h)不存在边界爆炸现象。
边界爆炸和角爆炸现象的研究不仅揭示了其背后非厄米趋肤效应和虚部能谱闭合的物理本质，也为非厄米拓扑系统实时演化的研究开辟了道路。
该研究成果于2024年8月13日以“Observation of Non-Hermitian Edge Burst in Quantum Dynamics”为题在Physical Review Letters发表[Phys. Rev. Lett. 133, 070801 (2024)]，这是薛鹏教授团队及其合作者继2020年3月首次观测到开放量子体系中的非厄米趋肤效应，证实了非厄米体边对应原理[Nat. Phys. 16 761 (2020)]，以及2021年首次观测到非布洛赫宇称-时间对称[Phys. Rev. Lett. 126, 230402 (2021)]后，又一次在非厄米系统中取得突出成果。该研究成果同时被选为了Editor’s Suggestion，该论文的理论合作者为汪忠教授和易为教授，东南大学的肖磊教授和清华大学的薛文坦博士为本文共同第一作者。该成果得到了国家重点研发计划重点专项和国家自然科学基金的支持。
原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.070801