中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實驗室杜江峰、榮星等人在單自旋體系中系統(tǒng)研究了對稱性與高階非厄米奇異點(diǎn)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并成功觀測到了一類高階非厄米奇異點(diǎn)結(jié)構(gòu)。該研究成果以“Third-order exceptional line in a nitrogen-vacancy spin system”為題，于1月15日在線發(fā)表在《Nature Nanotechnology》上。
非厄米物理特別關(guān)注非厄米體系中存在的一種特殊簡并點(diǎn)——奇異點(diǎn)。其與厄米體系中的簡并點(diǎn)不同，二階或者高階奇異點(diǎn)有兩個或者多個本征值和本征態(tài)同時發(fā)生簡并。由于奇異點(diǎn)附近獨(dú)特的能譜性質(zhì)，眾多非厄米體系獨(dú)有的新奇物理現(xiàn)象得以涌現(xiàn)，因此在量子計算、精密測量以及拓?fù)湮锢淼阮I(lǐng)域有著重要研究價值。由高階奇異點(diǎn)組成的高階奇異點(diǎn)結(jié)構(gòu)，例如高階奇異線和奇異弧等，能展現(xiàn)出更為豐富的拓?fù)湫再|(zhì)。然而在量子體系中高階奇異點(diǎn)的觀測已屬不易，實現(xiàn)高階奇異點(diǎn)結(jié)構(gòu)就更具挑戰(zhàn)性。
研究組以金剛石中的一個氮-空位色心的單電子自旋和核自旋復(fù)合體系為基礎(chǔ)，基于其發(fā)展的非厄米哈密頓量實現(xiàn)方法[Science 364, 878 (2019)]，實現(xiàn)同時具備宇稱時間對稱性和贗手性兩種對稱性的非厄米體系，成功觀測到了由一系列三階奇異點(diǎn)形成的奇異線。研究組進(jìn)一步闡明了對稱性與高階非厄米奇異結(jié)構(gòu)的關(guān)系。實驗結(jié)果表明，當(dāng)體系哈密頓量只有宇稱時間對稱性時，二維參數(shù)空間中僅能存在孤立的三階奇異點(diǎn)。進(jìn)一步解除體系的宇稱時間對稱性時，二維參數(shù)空間中將不存在三階奇異點(diǎn)。實驗結(jié)果展示了對稱性在研究高階奇異點(diǎn)結(jié)構(gòu)中的重要作用。
值得一提的是，高階奇異點(diǎn)結(jié)構(gòu)的成功觀測與研究組在金剛石樣品上的長期研究密不可分。該團(tuán)隊的王亞教授多年潛心致力于高品質(zhì)金剛石的合成與制備，成功制備電子自旋退相干時間（T2*）長達(dá)0.12毫秒的氮-空位色心，為實驗成功打下了堅實的基礎(chǔ)。
圖：不同對稱性下的非厄米體系的能譜及奇異點(diǎn)結(jié)構(gòu)。三種顏色的曲面分別對應(yīng)非厄米哈密頓量的三個本征能量，黃色與紫色點(diǎn)（線）為二階奇異點(diǎn)（線），紅色點(diǎn)（線）為三階奇異點(diǎn)（線）。圖a為體系同時具有宇稱時間對稱性和贗手性的情況，此時能夠觀測到三階奇異線的存在。圖b為體系僅具有宇稱時間對稱性時的情況，三階奇異點(diǎn)以孤立點(diǎn)的形式存在于二維參數(shù)空間。圖c為體系無對稱性時的情況，二維參數(shù)空間中不存在三階奇異點(diǎn)，僅存在二階奇異點(diǎn)。
這項工作為在多能級系統(tǒng)中開展廣泛的非厄米物理研究奠定了基礎(chǔ)，一方面有助于研究多能級非厄米體系中的新拓?fù)湎嗪屯負(fù)洳蛔兞?，另一方面基于高階奇異點(diǎn)的本征態(tài)轉(zhuǎn)換和對微擾響應(yīng)的增強(qiáng)，有望在量子控制和量子精密測量領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。
中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實驗室特任副研究員伍旸、博士研究生王云漢和博士后葉翔宇為該文并列第一作者，王亞教授指導(dǎo)了高品質(zhì)金剛石的合成，杜江峰院士和榮星教授為論文的共同通訊作者。此項研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院和安徽省的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-023-01583-0
（中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實驗室、物理學(xué)院、中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）
