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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

中国科学技术大学

发布时间：2025-06-11 11:08:40 119次浏览

中国科学技术大学自旋磁共振实验室杜江峰、荣星等人基于单自旋体系开展非厄米物理实验研究，首次观测到非厄米非阿贝尔拓扑转变和一种新型奇异点——狄拉克奇异点，这两项进展分别以“Non-Hermitian non-Abelian topological transition in the S=1 electron spin system of a nitrogen vacancy centre in diamond”和“Experimental observation of Dirac exceptional points”为题，发表在《自然·纳米技术》和《物理评论快报》上，其中后者被选为“编辑推荐”文章。

非厄米体系有着一系列独有的新奇物理现象，在量子控制、拓扑物理等方面有着广泛而深远的研究价值。近期的研究表明，多能级的非厄米系统中可以产生丰富的非阿贝尔拓扑现象，以及种类丰富的奇异点，其中蕴含着奇异点之间相互作用的物理机制，是非厄米物理体系中众多应用的基础。由于对多能级非厄米系统量子态的高精度、高自由度操控极具挑战性，这使得许多重要的非阿贝尔物理现象和新型的奇异点尚未被实验观测。

研究组近年来基于单自旋体系开展了一系列非厄米物理实验研究：首先发展了一类实现非厄米哈密顿量的普适方法[Science 364, 878 (2019)]，观测到二能级非厄米系统中的手性模式转换现象[Physical Review Letters 126，170506 (2021)]，并进一步将非厄米物理研究推进到三能级系统，实现三阶奇异线的观测[Nature Nanotechnology 19, 160 (2024)]，为此次两项成果的取得提供了必要的基础。

第一项成果基于研究组与中国科学院物理研究所胡海平研究员合作，研究了非厄米非阿贝尔拓扑转变现象，并在单自旋体系中首次实现了实验观测。实验结果表明，不同类型的奇异点之间的相互作用会导致非阿贝尔拓扑转变。在拓扑转变发生前后，体系的能谱拓扑结构发生了变化。此时通常刻画体系拓扑性质的不变量——拓扑荷，没有发生变化；一种非阿贝尔的拓扑不变量——能谱编织，发生了改变。所以这种拓扑转变无法由服从阿贝尔规律的拓扑荷来表征，而非阿贝尔的编织不变量则可以完备的刻画该过程。不仅如此，研究组还观测到一种新奇的现象，在拓扑转变发生后，一对带有相反拓扑荷的二阶奇异点，在融合时没有湮灭，而是产生了一个三阶奇异点。实验结果展示了非阿贝尔拓扑转变对系统能谱结构和奇异点性质的重要影响。

图1 非厄米非阿贝尔拓扑跃迁。(a)和(b)展示了由于不同类型奇异点之间的相互作用导致的非阿贝尔转变。(c)和(d)展示了能谱编织作为拓扑不变量对非阿贝尔转变的刻画。

第二项成果为首次实验观测到一类新型奇异点——狄拉克奇异点。这一类型的奇异点附近本征值为纯实数，且随参数变化满足线性色散关系，这与传统奇异点附近的根号色散规律截然不同。实验结果还展示了狄拉克奇异点处本征态的简并，这表明该奇异点并非厄米简并点。值得一提的是，该奇异点附近本征值纯实数的特性，为在非厄米系统实现绝热演化以及避免虚数本征值引入的耗散提供了可能。该成果得到PHYS.ORG网站以“The first experimental observation of Dirac exceptional points”为题专文评述。