中國(guó)科大在單自旋體系中實(shí)現(xiàn)三階奇異線的觀測(cè)

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室杜江峰、榮星等人在單自旋體系中系統(tǒng)研究了對(duì)稱(chēng)性與高階非厄米奇異點(diǎn)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并成功觀測(cè)到了一類(lèi)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(jiǎn)并點(diǎn)——奇異點(diǎn)。其與厄米體系中的簡(jiǎn)并點(diǎn)不同，二階或者高階奇異點(diǎn)有兩個(gè)或者多個(gè)本征值和本征態(tài)同時(shí)發(fā)生簡(jiǎn)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(jì)算、精密測(cè)量以及拓?fù)湮锢淼阮I(lǐng)域有著重要研究?jī)r(jià)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(cè)已屬不易，實(shí)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(gè)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(shí)現(xiàn)方法[Science 364, 878 (2019)]，實(shí)現(xiàn)同時(shí)具備宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)性和贗手性?xún)煞N對(duì)稱(chēng)性的非厄米體系，成功觀測(cè)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(duì)稱(chēng)性與高階非厄米奇異結(jié)構(gòu)的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)體系哈密頓量只有宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)性時(shí)，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(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)性時(shí)，二維參數(shù)空間中將不存在三階奇異點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了對(duì)稱(chēng)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(cè)與研究組在金剛石樣品上的長(zhǎng)期研究密不可分。該團(tuán)隊(duì)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(shí)間（T2*）長(zhǎng)達(dá)0.12毫秒的氮-空位色心，為實(shí)驗(yàn)成功打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖：不同對(duì)稱(chēng)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(duì)應(yīng)非厄米哈密頓量的三個(gè)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(shí)具有宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)性和贗手性的情況，此時(shí)能夠觀測(cè)到三階奇異線的存在。圖b為體系僅具有宇稱(chēng)時(shí)間對(duì)稱(chēng)性時(shí)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(wú)對(duì)稱(chēng)性時(shí)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(xiàng)工作為在多能級(jí)系統(tǒng)中開(kāi)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(jí)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(duì)微擾響應(yīng)的增強(qiáng)，有望在量子控制和量子精密測(cè)量領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。