188bet足球自旋磁共振實驗室杜江峰、榮星等人基于單自旋體系開展非厄米物理實驗研究，首次觀測到非厄米非阿貝爾拓撲轉變和一種新型奇異點——狄拉克奇異點，這兩項進展分別以“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”為題，發表在《自然(ran)·納(na)米技術(shu)》和《物理(li)評論快報》上(shang)，其中后者被(bei)選為“編(bian)輯推薦”文章(zhang)。
非厄(e)米(mi)體(ti)系(xi)有(you)著一系(xi)列獨(du)有(you)的(de)(de)(de)(de)新(xin)奇物(wu)理現象，在(zai)量子(zi)控(kong)(kong)制(zhi)、拓撲物(wu)理等方面(mian)有(you)著廣(guang)泛而深(shen)遠(yuan)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究價值。近期的(de)(de)(de)(de)研(yan)究表(biao)明，多(duo)能(neng)級(ji)的(de)(de)(de)(de)非厄(e)米(mi)系(xi)統(tong)中可以(yi)產生豐(feng)富的(de)(de)(de)(de)非阿(a)貝爾拓撲現象，以(yi)及種類豐(feng)富的(de)(de)(de)(de)奇異點(dian)，其(qi)中蘊含著奇異點(dian)之間相互作用的(de)(de)(de)(de)物(wu)理機制(zhi)，是非厄(e)米(mi)物(wu)理體(ti)系(xi)中眾多(duo)應用的(de)(de)(de)(de)基礎。由于對多(duo)能(neng)級(ji)非厄(e)米(mi)系(xi)統(tong)量子(zi)態的(de)(de)(de)(de)高精度、高自(zi)由度操控(kong)(kong)極具挑戰(zhan)性，這使得(de)許(xu)多(duo)重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)非阿(a)貝爾物(wu)理現象和新(xin)型的(de)(de)(de)(de)奇異點(dian)尚未被實驗觀測(ce)。
研究組(zu)近(jin)年來基于單(dan)自旋體系(xi)開展了(le)一系(xi)列非厄(e)米(mi)(mi)物理(li)實驗研究：首先發展了(le)一類(lei)實現(xian)(xian)非厄(e)米(mi)(mi)哈(ha)密頓量的(de)(de)(de)普適方法[Science 364, 878 (2019)]，觀(guan)測(ce)(ce)到二(er)能(neng)級非厄(e)米(mi)(mi)系(xi)統中的(de)(de)(de)手性模式(shi)轉(zhuan)換(huan)現(xian)(xian)象[Physical Review Letters 126，170506 (2021)]，并進一步(bu)將非厄(e)米(mi)(mi)物理(li)研究推(tui)進到三(san)能(neng)級系(xi)統，實現(xian)(xian)三(san)階奇異線的(de)(de)(de)觀(guan)測(ce)(ce)[Nature Nanotechnology 19, 160 (2024)]，為此次兩(liang)項成果的(de)(de)(de)取得提(ti)供了(le)必要的(de)(de)(de)基礎(chu)。
第一項成果(guo)(guo)基(ji)于研(yan)究(jiu)(jiu)組與中國科學院物理研(yan)究(jiu)(jiu)所胡(hu)海平研(yan)究(jiu)(jiu)員合(he)作，研(yan)究(jiu)(jiu)了(le)(le)非厄米非阿貝(bei)爾(er)(er)拓(tuo)(tuo)撲(pu)(pu)(pu)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)現(xian)象(xiang)(xiang)，并(bing)在(zai)(zai)單自旋體(ti)系(xi)中首次實現(xian)了(le)(le)實驗觀測。實驗結(jie)(jie)(jie)果(guo)(guo)表明(ming)，不(bu)(bu)(bu)同類(lei)型的(de)(de)奇(qi)(qi)(qi)異點之間的(de)(de)相互作用會導致非阿貝(bei)爾(er)(er)拓(tuo)(tuo)撲(pu)(pu)(pu)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)。在(zai)(zai)拓(tuo)(tuo)撲(pu)(pu)(pu)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)發生(sheng)前后，體(ti)系(xi)的(de)(de)能譜拓(tuo)(tuo)撲(pu)(pu)(pu)結(jie)(jie)(jie)構發生(sheng)了(le)(le)變(bian)(bian)化。此(ci)時通常(chang)刻(ke)畫(hua)體(ti)系(xi)拓(tuo)(tuo)撲(pu)(pu)(pu)性(xing)質(zhi)的(de)(de)不(bu)(bu)(bu)變(bian)(bian)量(liang)(liang)——拓(tuo)(tuo)撲(pu)(pu)(pu)荷(he)(he)，沒有(you)(you)(you)發生(sheng)變(bian)(bian)化；一種(zhong)非阿貝(bei)爾(er)(er)的(de)(de)拓(tuo)(tuo)撲(pu)(pu)(pu)不(bu)(bu)(bu)變(bian)(bian)量(liang)(liang)——能譜編織，發生(sheng)了(le)(le)改變(bian)(bian)。所以這種(zhong)拓(tuo)(tuo)撲(pu)(pu)(pu)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)無(wu)法由服(fu)從阿貝(bei)爾(er)(er)規律的(de)(de)拓(tuo)(tuo)撲(pu)(pu)(pu)荷(he)(he)來表征，而(er)非阿貝(bei)爾(er)(er)的(de)(de)編織不(bu)(bu)(bu)變(bian)(bian)量(liang)(liang)則可以完備的(de)(de)刻(ke)畫(hua)該過程。不(bu)(bu)(bu)僅如此(ci)，研(yan)究(jiu)(jiu)組還(huan)觀測到一種(zhong)新奇(qi)(qi)(qi)的(de)(de)現(xian)象(xiang)(xiang)，在(zai)(zai)拓(tuo)(tuo)撲(pu)(pu)(pu)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)發生(sheng)后，一對帶有(you)(you)(you)相反拓(tuo)(tuo)撲(pu)(pu)(pu)荷(he)(he)的(de)(de)二階奇(qi)(qi)(qi)異點，在(zai)(zai)融合(he)時沒有(you)(you)(you)湮(yin)滅，而(er)是(shi)產生(sheng)了(le)(le)一個三階奇(qi)(qi)(qi)異點。實驗結(jie)(jie)(jie)果(guo)(guo)展(zhan)示了(le)(le)非阿貝(bei)爾(er)(er)拓(tuo)(tuo)撲(pu)(pu)(pu)轉(zhuan)(zhuan)變(bian)(bian)對系(xi)統能譜結(jie)(jie)(jie)構和奇(qi)(qi)(qi)異點性(xing)質(zhi)的(de)(de)重要(yao)影響。
圖1 非(fei)(fei)厄米非(fei)(fei)阿貝(bei)爾拓撲(pu)躍遷(qian)。(a)和(b)展示了(le)(le)由(you)于不(bu)同類型奇異點(dian)之間的相(xiang)互作用導致的非(fei)(fei)阿貝(bei)爾轉變。(c)和(d)展示了(le)(le)能(neng)譜(pu)編織作為(wei)拓撲(pu)不(bu)變量對非(fei)(fei)阿貝(bei)爾轉變的刻畫(hua)。
第二項成果為首次實驗觀測到一類新型奇異點——狄拉克奇異點。這一類型的奇異點附近本征值為純實數，且隨參數變化滿足線性色散關系，這與傳統奇異點附近的根號色散規律截然不同。實驗結果還展示了狄拉克奇異點處本征態的簡并，這表明該奇異點并非厄米簡并點。值得一提的是，該奇異點附近本征值純實數的特性，為在非厄米系統實現絕熱演化以及避免虛數本征值引入的耗散提供了可能。該成果得到PHYS.ORG網站以“The first experimental observation of Dirac exceptional points”為題專文評述。
圖2 狄拉(la)克(ke)奇(qi)異點。圖中展示了(le)狄拉(la)克(ke)奇(qi)異點既有附近(jin)為實數的能(neng)譜，又(you)有本(ben)征態(tai)簡并的特性。
這兩項工(gong)作為在多能級體(ti)系開展非(fei)(fei)厄(e)米物理(li)研(yan)究奠定(ding)了基礎。一方面(mian)(mian)為研(yan)究非(fei)(fei)厄(e)米系統中的(de)新(xin)奇拓(tuo)撲(pu)物理(li)現象提供了支持，另一方面(mian)(mian)也使得在未來(lai)有(you)望通過調控非(fei)(fei)厄(e)米系統的(de)能譜構型，推動(dong)在量子控制、非(fei)(fei)互異性傳輸等方面(mian)(mian)的(de)應用。
值得一提的(de)是，上(shang)述研究的(de)順利開展與該團隊王亞教授多年(nian)來在高品質金剛石合成(cheng)(cheng)與制(zhi)備上(shang)的(de)研究密不可分。王亞課題組成(cheng)(cheng)功(gong)制(zhi)備碳(tan)-12同(tong)位素豐度高達99.999%的(de)金剛石樣(yang)品，有(you)效抑制(zhi)了制(zhi)約單電(dian)子(zi)自(zi)旋量子(zi)相干時間的(de)核自(zi)旋熱庫噪(zao)聲，為實驗(yan)成(cheng)(cheng)功(gong)提供了必要條件。
第一項工作的共同一作為(wei)王云漢(han)博士(shi)研(yan)究(jiu)生(sheng)和(he)伍旸(yang)博士(shi)，通訊作者為(wei)胡海平研(yan)究(jiu)員、榮星教(jiao)授和(he)杜(du)江(jiang)峰院士(shi)；第二項工作的共同一作為(wei)伍旸(yang)、朱東方昊和(he)王云漢(han)，通訊作者為(wei)榮星教(jiao)授和(he)杜(du)江(jiang)峰院士(shi)。
研究得到(dao)了(le)科技部(bu)、國(guo)家自(zi)然科學基金委、中國(guo)科學院和(he)安徽省的資(zi)助。
論文鏈接：
1：//www.nature.com/articles/s41565-025-01913-4
2：//doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.153601
評述論文鏈接：//phys.org/news/2025-04-experimental-dirac-exceptional.html
（物理學(xue)院(yuan)(yuan)、中國科學(xue)院(yuan)(yuan)量子信(xin)息與(yu)量子科技創新研究院(yuan)(yuan)、科研部）
