中国科大基于单自旋体系开展非厄米物理研究取得重要实验进展
中国迷信技能年夜学自旋磁共振试验室杜江峰、荣星等人基于单自旋系统开展非厄米物理试验研究，初次观测到非厄米非阿贝尔拓扑改变以及一种新型怪异点——狄拉克怪异点，这两项进展划分以“Non-Hermitian non-Abelian topological transition in the S=1 electron spin system of a nitrogen vacancy centre in diamond”以及“Experimental observation of Dirac exceptional points”为题，颁发正在《天然·纳米技能》以及《物理评论快报》上，此中后者当选为“编纂保举”文章。非厄米系统有着一系列独占的别致物理征象，正在量子节制、拓扑物理等方面有着普遍而深远的研究价值。近期的研究标明，多能级的非厄米体系中可以发生富厚的非阿贝尔拓扑征象，和品种富厚的怪异点，此中蕴含着怪异点之间彼此作用的物理机制，长短厄米物理系统中浩繁使用的根蒂根基。因为对多能级非厄米体系量子态的高精度、高自由度操控极具应战性，这使患上很多重要的非阿贝尔物理征象以及新型的怪异点还没有被试验观测。研
中国迷信技能年夜学自旋磁共振试验室杜江峰、荣星等人基于单自旋系统开展非厄米物理试验研究，初次观测到非厄米非阿贝尔拓扑改变以及一种新型怪异点——狄拉克怪异点，这两项进展划分以“Non-Hermitian non-Abelian topological transition in the S=1 electron spin system of a nitrogen vacancy centre in diamond”以及“Experimental observation of Dirac exceptional points”为题，颁发正在《天然·纳米技能》以及《物理评论快报》上，此中后者当选为“编纂保举”文章。
非厄米系统有着一系列独占的别致物理征象，正在量子节制、拓扑物理等方面有着普遍而深远的研究价值。近期的研究标明，多能级的非厄米体系中可以发生富厚的非阿贝尔拓扑征象，和品种富厚的怪异点，此中蕴含着怪异点之间彼此作用的物理机制，长短厄米物理系统中浩繁使用的根蒂根基。因为对多能级非厄米体系量子态的高精度、高自由度操控极具应战性，这使患上很多重要的非阿贝尔物理征象以及新型的怪异点还没有被试验观测。
研究组最近几年来基于单自旋系统开展了一系列非厄米物理试验研究：起首成长了一类完成非厄米哈密顿量的普适要领[Science 364, 878 (2019)]，观测到二能级非厄米体系中的手性模式转换征象[Physical Review Letters 126, 170506 (2021)]，并进一步将非厄米物理研究推进到三能级体系，完成三阶怪异线的观测[Nature Nanotechnology 19, 160 (2024)]，为这次两项结果的取患上供给了须要的根蒂根基。
第一项结果基于研究组与中国迷信院物理研究所胡海平研究员互助，研究了非厄米非阿贝尔拓扑改变征象，并正在单自旋系统中初次完成了试验观测。试验成果标明，没有同类型的怪异点之间的彼此作用会招致非阿贝尔拓扑改变。正在拓扑改变产生先后，系统的能谱拓扑布局产生了变迁。此时凡是描画系统拓扑性子的没有变量——拓扑荷，不产生变迁；一种非阿贝尔的拓扑没有变量——能谱编织，产生了转变。以是这类拓扑改变无奈由从命阿贝尔纪律的拓扑荷来表征，而非阿贝尔的编织没有变量则可以完整的描画该历程。不只云云，研究组还观测到一种别致的征象，正在拓扑改变产生后，一对带有相反拓扑荷的二阶怪异点，正在交融时不湮灭，而是发生了一个三阶怪异点。试验成果展示了非阿贝尔拓扑改变对体系能谱布局以及怪异点性子的重要影响。
图1 非厄米非阿贝尔拓扑跃迁。(a)以及(b)展示了因为没有同类型怪异点之间的彼此作用招致的非阿贝尔改变。(c)以及(d)展示了能谱编织作为拓扑没有变量对非阿贝尔改变的描画。
第二项结果为初次试验观测到一类新型怪异点——狄拉克怪异点。这一类型的怪异点相近本征值为纯实数，且随参数变迁餍足线性色散瓜葛，这与传统怪异点相近的根号色散纪律大相径庭。试验成果还展示了狄拉克怪异点处本征态的简并，这标明该怪异点并不是厄米简并点。值患上一提的是，该怪异点相近本征值纯实数的特征，为正在非厄米体系完成绝热演变和防止虚数本征值引入的耗散供给了可能。该结果获得PHYS.ORG网站以“The first experimental observation of Dirac exceptional points”为题专文评述。
图2 狄拉克怪异点。图中展示了狄拉克怪异点既有相近为实数的能谱，又有本征态简并的特征。
这两项事情为正在多能级系统开展非厄米物理研究奠基了根蒂根基。一方面为研究非厄米体系中的别致拓扑物理征象供给了撑持，另外一方面也使患上正在将来无望经由过程调控非厄米体系的能谱构型，鞭策正在量子节制、非互同性传输等方面的使用。
值患上一提的是，上述研究的顺遂开展与该团队王亚传授多年来正在高质量金刚石合成与制备上的研究密不成分。王亚课题构成功制备碳-12同位素品貌高达99.999%的金刚石样品，有用按捺了制约单电子自旋量子相关时间的核自旋热库噪声，为试验胜利供给了须要前提。
第一项事情的配合一作为王云汉博士研究生以及伍旸博士，通信作者为胡海平研究员、荣星传授以及杜江峰院士；第二项事情的配合一作为伍旸、朱西方昊以及王云汉，通信作者为荣星传授以及杜江峰院士。
研究获得了科技部、国度天然迷信基金委、中国迷信院以及安徽省的赞助。
论文链接：
1：https://www.nature.com/articles/s41565-025-01913-4
2：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.153601
评述论文链接：https://phys.org/news/2025-04-experimental-dirac-exceptional.html
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