日前，北京计算科学研究中心薛鹏教授团队及合作者在对非厄米量子系统拓扑性质的研究中取得重要进展。实验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，以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，首次实现了对非布洛赫(non-Bloch)拓扑不变量的直接测量。研究成果以“Detecting Non-Bloch Topological Invariants in Quantum Dynamics”为题，于2021年12月30日发表于Physical Review Letters。
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的拓扑特性。其中一个典型的案例是非厄米趋肤效应引起的非厄米拓扑体系体边对应关系的失效。在非厄米趋肤效应下，非厄米系统中的体态与拓扑边缘态均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开边界下的拓扑边缘态不再一一对应。为重新建立非厄米系统中的体边对应关系，理论研究者引入了非布洛赫能带理论，在修正的广义布里渊区上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衍生拓扑结构等方式进行探测，而开放系统中的非厄米趋肤效应及非布洛赫体边对应关系也都得到了实验验证。但能否对非布洛赫拓扑不变量进行实验探测，仍是悬而未决的重要课题。
该团队利用线性光学系统，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，还通过模拟淬火动力学演化，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。两种测量方式相互印证，实现了对非厄米拓扑不变量的直接观测。实验表明，基于非布洛赫能带理论的拓扑不变量可以通过体态的动力学演化在热力学极限下得到，充分说明了非布洛赫能带论的普适性。同时，实验通过引入静态及动态两种不同的微扰，证明了两种测量方案的鲁棒性。
图1：非布洛赫拓扑绕数的实验探测。
图2：淬火过程中非布洛赫能带理论下定义的动量—时间空间中衍生斯格明子结构及布洛赫理论下自旋结构的演化。
这是该团队继实验实现开放系统的非厄米量子行走[Nature Physics 13， 1117 (2017)]，直接测量其拓扑不变量[Physical Review Letters 119, 130501 (2017)]，模拟多体拓扑系统的非厄米动力学量子相变[Physical Review Letters 122, 020501 (2019)]并观测其斯格明子结构[Nature Communications 10, 2293 (2019)]，模拟并观测非厄米临界现象[Physical Review Letters 123, 230401 (2019)]和非厄米金属拓扑能带结构[Physical Review Letters 127, 026404 (2021)]，观测非厄米趋肤效应并验证非布洛赫体边对应关系[Nature Physics 16, 761 (2020)]，观测非布洛赫奇异点[Physical Review Letters 126, 230402(2021)]之后，对开放系统中新型非厄米拓扑物态的实验研究中取得的又一重要进展。这一工作首次在实验上实现了开放系统中非布洛赫拓扑不变量的直接观测，不仅为非布洛赫能带理论提供重要实验支持，进一步加深人们对开放系统拓扑物相的了解，更为开放系统拓扑物相的研究提供了新的手段。
该论文的理论合作者为中国科学技术大学易为教授，第一作者为薛鹏教授团队的王坤坤博士，易为教授课题组的李天宇为共同第一作者。上述研究得到了国家自然科学基金的支持。
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.
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