非厄米系統(tǒng)的研究作為物理學(xué)領(lǐng)域的新興熱點,近年來在光子學(xué)、超冷原子、聲學(xué)及電路等多個實驗平臺取得了顯著進(jìn)展。非厄米性的引入催生了一系列新奇的現(xiàn)象,特別是非厄米趨膚效應(yīng)(NHSE)的發(fā)現(xiàn),顛覆了傳統(tǒng)布洛赫理論,揭示了所有本征態(tài)在開邊界條件下在邊界上的反常聚集行為。這一局域化現(xiàn)象及與之相關(guān)的能譜的高度邊界敏感性,為非平衡動力學(xué)及輸運特性提供了新的可控要素,推動了光學(xué)漏斗、高精度傳感及光力誘導(dǎo)透明等應(yīng)用的發(fā)展。
然而,趨膚效應(yīng)中的本征態(tài)集體局域化行為,一般要求針對系統(tǒng)全局引入非厄米項,且波包的局域化發(fā)生在邊界,局域長度很難調(diào)節(jié)。因此,如何以高度可控且精準(zhǔn)的方式,定制化設(shè)計波的局域化行為,包括局域化長度、空間位置及本征態(tài)分布比例等,成為一個亟待解決的挑戰(zhàn)性問題。
近期,中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心凝聚態(tài)理論與材料計算重點實驗室T01組胡海平特聘研究員、陳澍研究員團(tuán)隊,與量子計算研究中心G01組鄭東寧研究員團(tuán)隊合作,提出了一種新的局域化效應(yīng),即標(biāo)度定制的局域化(STL),并在電路平臺進(jìn)行了該效應(yīng)的實驗觀測。與點能隙引起的趨膚效應(yīng)及由波干涉導(dǎo)致的安德孫局域化不同,在STL中,局域化模的數(shù)量及局域化長度完全取決于耦合范圍的現(xiàn)象【圖1所示】,起源于體系中存在非互易長程耦合形成的閉合路徑。該科研團(tuán)隊從一個可解析求解的模型出發(fā),定出了STL的出現(xiàn)條件及特性,并展示了STL在各種非厄米晶格系統(tǒng)中的普遍性。進(jìn)一步,他們利用電壓跟蹤器和電路開關(guān)等器件,設(shè)計了RLC電路系統(tǒng)【圖2所示】,直接觀測了STL模式特有的空間分布。該項研究引入了一種簡單而靈活的機(jī)制來操縱波包局域化,加深了對非厄米體系中特有的局域化現(xiàn)象的理解,并為設(shè)計具有特定輸運特性的新型功能器件提供了啟示。
相關(guān)研究成果近期以“Scale-tailored localization and its observation in non-Hermitian electrical circuits”為題發(fā)表于《自然-通訊》【Nat. Commun. 15, 9120 (2024)】。物理所T01組博士后郭翠仙(現(xiàn)入職中國石油大學(xué)(北京))與G01組博士生蘇鷺紅(現(xiàn)香港科技大學(xué)博士后)為共同第一作者;T01組胡海平特聘研究員、陳澍研究員及G01組鄭東寧研究員為共同通訊作者。此外,中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所正高級工程師王永良,以及物理所G01組博士生李力、王晉哲、阮馨慧(與清華大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng))、杜燕京(與中國地質(zhì)大學(xué)(北京)聯(lián)合培養(yǎng))也共同參與了該工作。該工作受到科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委? 、國家量子科技2030項目、中國科學(xué)院、中國博士后科學(xué)基金會和中國石油大學(xué)(北京)的資助。
圖:幾種典型局域化現(xiàn)象的示意圖、電路系統(tǒng)及標(biāo)度定制局域化(STL)的觀測。