北京计算科学研究中心薛鹏团队在实验观测非厄米拓扑安德森绝缘体方面取得重要进展

撰稿|由课题组供稿

近日，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量子系统的研究中取得重要进展, 首次在量子行走体系中观测到了非厄米拓扑安德森绝缘体。研究成果以“Observation of non-Hermitian topological Anderson insulator in quantum dynamics”为题，于2022年6月9日在线发表于Nature Communications。

在传统的拓扑材料中，拓扑边缘态由拓扑不变量所刻画，其稳定性源于体系本征态在希尔伯特空间的全局几何特性。然而，这一传统范式在无序或非厄米体系中受到挑战：一方面，体系中的无序在导致局域化的同时，也可能诱导出具有全局拓扑性质的拓扑安德森绝缘体；另一方面，许多非厄米拓扑模型的本征态在非厄米趋肤效应的影响下，会失去布洛赫波的空间延展性而趋向体系边界，这些非厄米体系的拓扑边缘态因而需要用非布洛赫拓扑不变量描述。薛鹏团队将上述两个对体系拓扑产生重要影响的因素融合在一起，在实验上观测到由无序导致的局域化和非厄米趋肤效应在量子行走系统中的相互竞争，以及由无序诱导的拓扑相变，从而实现了对非厄米拓扑安德森绝缘体的动力学量子模拟。

实验装置图

薛鹏团队及合作者通过时间域光量子实验平台，观测到了非厄米趋肤效应以及安德森局域化现象。通过对动力学过程的量子模拟，验证了趋肤效应与局域化之间的竞争关系。且在此基础上，首次在实验上观测到了非厄米拓扑量子体系中由无序造成的拓扑相变。

非厄米趋肤效应与局域化的竞争

无序造成的拓扑相变

这一实验工作奠定了在具有趋肤效应的非厄米多体系统中研究局域化问题的基础，开辟了对可集成量子态传输，可控光量子设备的应用道路。

这项研究是该团队继观测新型非厄米拓扑体边对应关系[Nat. Phys. 16，761–766 (2020)]，非布洛赫宇称时间对称相变的观测[Phys. Rev. Lett. 126，230402 (2021)]，非布洛赫拓扑不变量的直接测量[[Phys. Rev. Let‍t. 127，270602 (2021)]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。

该论文的理论合作者为中国科学技术大学易为教授，北京计算科学研究中心的林泉和中国科学技术大学的李天宇为共同第一作者。该成果得到了国家自然科学基金的支持。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30938-9