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            清華大學高研院在非厄米物理方面的研究取得重大進展

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              近日,清華大學高等研究院翟薈教授和汪忠研究員的研究組在非厄米物理(non-Hermitian physics)方面的研究取得重大進展,兩個研究組各有一篇論文被《自然 物理》(Nature Physics)接收,分別於5月12日和3月16日在線發表。由耗散在量子物質中造成的非厄米效應是近幾年物理學中非常活躍的一個研究課題,這兩篇論文分別揭示瞭非厄米效應和多體關聯、拓撲相結合產生的新效應。

              翟薈研究組發表的題為“非厄米線性響應理論”(Non-Hermitian Linear Response Theory)的理論論文,將非厄米耗散效應轉化為一種探測平衡態量子多體關聯的新手段。線性響應理論是量子物理中教科書級的理論框架。該理論將物理系統對外界探測的響應和物理系統平衡態的關聯性質聯系起來,是分析眾多物理實驗的理論基礎。翟薈等人的工作將這一理論推廣到物理系統對非厄米耗散過程的響應,他們發現這一響應提供瞭區分正常物態和奇異物態的一種新的手段。該理論的結論和最近冷原子體系的實驗結果高度吻合。

            非厄米線性響應理論利用物理系統對耗散的響應來探測系統的性質,得到的結論和冷原子體系實驗數據高度吻合。

              翟薈教授和中物院研究生院的陳宇副教授為該論文的共同通訊作者,高研院博士後潘磊為論文的第一作者。該研究得到瞭北京市卓越青年科學傢項目、國傢科技部重點研發項目和國傢自然科學基金委重點項目等的支持。該論文回復審稿意見修改期間,正值新冠疫情防疫階段。研究組成員克服困難,順利完成論文修改完善工作。

              在題為“量子動力學中的非厄米體邊對應”(Non-Hermitian bulk–boundary correspondencein quantum dynamics)的論文中,汪忠研究員和合作者首次在單光子量子行走實驗中證實瞭由汪忠研究組提出的“廣義體邊對應關系”以及“非厄米趨膚效應”。在拓撲體系中,體邊對應關系是一條最基本的原理,它將體系能帶的拓撲不變量和穩定的邊界態對應起來。

              2018-2019年期間,汪忠研究組先後在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上發表瞭四篇理論文章(其中兩篇文章被選為“編輯推薦”文章)。這一系列工作提出瞭廣義佈裡淵區(generalized Brillouin zone)這一概念,建立瞭非厄米體系的拓撲能帶理論,給出瞭推廣的體邊對應關系,發現瞭其中關鍵的物理效應,並將其命名為非厄米趨膚效應(non-Hermitian skin effect)。 這些理論經國內外同行的發展充實,目前已被國際學術界廣為接受,在非厄米物理研究中被廣泛采用。最近,除瞭汪忠及其合作者的這篇實驗文章以外,同期或稍後還有來自德國維爾茨堡大學(University of Wurzburg)、德國羅斯托克大學(University of Rostock)、瑞士蘇黎世大學(University of Zurich) , 荷蘭阿姆斯特丹大學(University of Amsterdam)等研究組的四篇論文,分別在光學、電學、超材料等體系中證實瞭汪忠研究組提出的廣義體邊對應關系和非厄米趨膚效應。

            廣義佈裡淵區(b)上定義的拓撲不變量準確預言瞭量子行走實驗中測量到的拓撲邊界態(c),體現瞭非厄米廣義體邊對應原理

              汪忠研究員和中國科學技術大學教授易為、北京計算科學中心教授薛鵬為該實驗論文的共同通訊作者,原中科大博士生、現為清華大學高研院博士後的鄧天舒為論文的共同第一作者。 汪忠研究員的研究得到瞭國傢自然科學基金委的支持。清華大學物理系2015級本科生、2018年本科生特等獎學金獲得者姚順宇本科期間在汪忠研究組參與研究工作,在這一理論發展中發揮瞭重要作用。他參加瞭上述四篇《物理評論快報》(Physical Review Letters)論文的研究,並且是其中兩篇論文的第一作者。