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    王坤坤课题组实现了对非布洛赫拓扑数的直接测量

    发布时间:2022-01-07

    本网讯(物理与光电工程学院 王栋)日前,我校物理与光电工程学院王坤坤教授与北京计算科学研究中心薛鹏教授团队、中国科学技术大学易为教授合作,在单光子非厄米量子行走的动力学演化中,通过观测演化过程中光子的平均手性位移及量子行走动力学淬火过程中动量—时间域的斯格明子结构两种不同的方式,实现了对非布洛赫(non-Bloch)拓扑数的直接测量。研究成果以“Detecting Non-Bloch Topological Invariants in Quantum Dynamics”为题,物理学领域知名期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)发表。我校王坤坤教授为文章第一作者,中国科学技术大学李天宇为共同第一作者,北京计算科学研究中心薛鹏教授、中国科学技术大学易为教授为共同通讯作者。

    近年来,随着对量子开放体系中拓扑物相研究的逐步深入,开放体系呈现出诸多区别于封闭系统中的拓扑特性。其中一个经典的案例是非厄米系统中的趋肤效应所引起的体—边对应关系的破坏(拓扑物态研究的基本原理)。趋肤效应下,非厄米系统中的所有体态与拓扑边缘态始终局域在体系边界附近,定义在传统布里渊区上的布洛赫拓扑不变量与边缘态的存在不再一一对应。为重新建立非厄米系统中的体边对应关系,理论研究引入了非布洛赫能带理论,于广义布里渊区重新定义出非布洛赫拓扑不变量。在前期的研究中,封闭系统布洛赫拓扑不变量已经被实验证明可以通过统计矩、平均手性位移和量子淬火中的拓扑结构等方式进行探测。且开放系统中的非厄米趋肤效应的存在以及非布洛赫体边对应关系的有效性也都得到了实验证明,但非布洛拓扑数是否存在相应方法对其进行实验测量依然没有答案。

    1:非布洛赫拓扑绕数的实验探测

    王坤坤及其合作者利用线性光学系统,搭建了非厄米量子行走实验装置,不仅精确地测量了动力学演化过程中的平均手性位移,还通过实现淬火动力学演化,观测到了非布洛赫能带理论下动量时间空间中的斯格明子结构。理论证明前一种测量方式在量子行走步数足够大时等同于系统中的非布洛赫拓扑绕数,后一种方式通过斯格明子结构也可以确定系统在非布洛赫能带理论定义下的拓扑相,均是对系统非厄米拓扑数的测量。实验对比了两种方式下观测到的与非布洛赫和布洛赫能带理论定义下的拓扑数及拓扑相变,充分证明了两种方法对非布洛赫拓扑数测量的有效性。在淬火过程中,实验测量系统态的平均自旋分量还观测到了非布洛赫宇称时间对称性的破缺及非布洛赫奇异点的存在。而且,实验对系统引入了对称性保持的静态和动态两种不同的微扰,证明了两种测量非布洛赫拓不变量方式的鲁棒性。这一工作是首次实验上实现了对于开放系统中非布洛赫拓扑不变量的直接测量,不仅能为非布洛赫能带理论的成立提供又一有效证据,进一步加深对开放系统拓扑物相的了解,更为对开放系统拓扑物相的研究提供了新的方法。

     

    原文链接:

    https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.270602



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