Nature Physics: 薛鹏团队在非厄米拓扑物态领域取得重要进展学术资讯

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日前，北京计算科学研究中心薛鹏教授团队及合作者在非厄米拓扑物态的研究中取得重要进展。他们在实验上首次观测到开放量子体系中的非厄米趋肤效应(non-Hermitian skin effect)，并证实了非厄米体边对应原理。这一成果处于非厄米系统，拓扑相变，量子模拟等量子物理和凝聚态物理学前沿方向的关键结合点, 是拓扑物态和开放体系两个方向的基础性进展, 对新奇拓扑序的量子模拟及全面理解开放体系拓扑现象有重要意义。

图1. 实验装置图。

在以固态拓扑材料为代表的传统拓扑物相中, 最为重要的物理特征是拓扑保护的边缘态。体边对应原理指出，拓扑边缘态的存在性和稳定性完全由体态拓扑不变量决定；因此，人们可以根据体态拓扑来预言物理上重要的边缘态。目前，体边对应原理已被公认为传统拓扑物态领域中普适的基本原则。长期以来，对这一原理的验证范围局限于封闭体系。然而，无论是在自然界还是在人工体系中，开放体系普遍存在并扮演越来越重要的角色。

近年来，随着对开放体系拓扑现象, 尤其是对非厄米体系拓扑序的理论研究, 人们发现在一大类非厄米拓扑体系中, 传统的体边对应关系不再成立，常规拓扑能带理论中的拓扑不变量无法预言拓扑边缘态。在这类体系中, 传统体边对应原理的失效伴随着非厄米趋肤效应, 即体态与拓扑边缘态均完全局域于体系边界附近。正是由于非厄米趋肤效应, 非厄米拓扑体系不能在传统的体边对应原理下理解。为建立普适的非厄米体边对应原理，需要重新定义一系列基本概念；例如，根据理论推测，拓扑能带理论中广泛采用的标准布里渊区不再适用，取而代之的将是广义布里渊区(generalized Brillouin zone)。

图2. 非厄米趋肤效应的实验数据图。

薛鹏团队及合作者在这一背景下, 在单光子量子行走的物理平台上, 实现了对具有趋肤效应的非厄米拓扑体系动力学的量子模拟。他们通过巧妙的实验方案设计, 观测到非厄米趋肤效应及稳定的拓扑边缘态。实验观测到的拓扑边缘态与传统体边对应法则不符，而与定义在广义布里渊区上的拓扑不变量精确符合, 从而证实了非厄米体边对应原理。实验首次在量子体系中观测到非厄米趋肤效应及非厄米体边对应关系, 是进一步探索非厄米体系拓扑效应的实验基点。这一成果有助于深入理解开放系统的拓扑性质及动力学演化中的拓扑现象，对开放体系和拓扑物态的量子模拟具有重要推动作用。

图3. 非厄米体边对应数据图.实验观测到的拓扑边缘态与广义布里渊区上的拓扑不变量一致，说明了在本体系中传统体边对应原理失效，非厄米广义体边对应原理成立.

这项研究是该团队继理论设计并实验实现宇称时间对称的量子行走，观测新型拓扑边界态[Nat. Phys. 13, 1117 (2017)]，直接测量量子行走拓扑不变量[Phys. Rev. Lett. 119, 130501 (2017)]，模拟多体拓扑系统的动力学量子相变[Phys. Rev. Lett. 122, 020501 (2019)]，观测非幺正动力学演化中的斯格明子结构[Nat. Commun. 10，2293 (2019)]，以及观测宇称时间对称的动力学临界现象[Phys. Rev. Lett. 123, 230401 (2019)]之后，在非厄米系统新奇物性研究方面取得的又一重要成果。

研究成果《Non-Hermitian bulk-boundary correspondence in quantum dynamics》于2020年3月16日以研究长文(article)形式在线发表在《自然•物理》(Nature Physics)上。该论文的理论合作者为清华大学高等研究院汪忠研究员和中国科学技术大学易为教授，北京计算科学研究中心的肖磊和中国科学技术大学的邓天舒为共同第一作者。该成果得到了国家自然科学基金和北京计算科学研究中心启动基金的支持。

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