Einem Forschungsteam unter der Leitung der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) ist eine bahnbrechende Quantensimulation des nicht-hermiteschen Skin-Effekts in zwei Dimensionen mithilfe ultrakalter Fermionen gelungen, was einen bedeutenden Fortschritt in der Quantenphysikforschung darstellt.
Die Quantenmechanik, die typischerweise ein von seiner Umgebung gut isoliertes System betrachtet, beschreibt allgegenwärtige Phänomene, die vom Elektronenverhalten in Festkörpern bis zur Informationsverarbeitung in Quantengeräten reichen. Diese Beschreibung erfordert typischerweise eine reellwertige Observable – insbesondere ein hermitianisches Modell (Hamiltonian).
Die Hermitizität des Modells, die die Erhaltung der Energie mit realen Eigenwerten garantiert, bricht zusammen, wenn ein Quantensystem Teilchen und Energie mit seiner Umgebung austauscht. Ein solches offenes Quantensystem kann durch einen nicht-hermiteschen Hamiltonianer effektiv beschrieben werden und liefert wichtige Einblicke in die Quanteninformationsverarbeitung, den gekrümmten Raum, nichttriviale topologische Phasen und sogar Schwarze Löcher. Dennoch bleiben viele Fragen zur nicht-hermiteschen Quantendynamik unbeantwortet, insbesondere in höheren Dimensionen.
In Zusammenarbeit mit der Peking-Universität (PKU) haben Physiker beider Universitäten ein solches faszinierendes Phänomen simuliert – den nicht-hermiteschen Hauteffekt (NHSE), bei dem es um die Anhäufung von Eigenzuständen an der Grenze eines offenen Systems geht. Diese erfolgreiche Demonstration stellt einen entscheidenden Fortschritt dar, da frühere experimentelle Erkenntnisse des nicht-hermiteschen Skin-Effekts auf niedrigere Dimensionen oder klassische Systeme und nicht auf Quantensysteme beschränkt waren.
Dieser Befund ist veröffentlicht in Natur am 8. Januar 2025. Die Forschung schuf ein zweidimensionales nicht-hermitesches topologisches Band für ultrakalte Fermionen in spin-bahngekoppelten optischen Gittern mit einstellbarer Dissipation und enthüllte den nicht-hermiteschen Hauteffekt, sagt Prof. JO Gyu-Boong, Professor of Physics an der HKUST leitete die Studie.
„Unsere Arbeit enthüllt ein faszinierendes System, das es uns ermöglicht zu erforschen, wie Nicht-Hermitizität mit Symmetrie und Topologie spielt“, sagte Prof. Jo. „Unser Experiment setzt auf natürliche Weise ein Quanten-Vielteilchensystem anstelle klassischer Systeme und eröffnet Möglichkeiten zur Untersuchung nicht-hermitescher Quantendynamik unter Verwendung ultrakalter Fermionen mit Dissipation.“
Prof. LIU Xiong-jun, Professor an der PKU und der andere Leiter des Teams, fügte hinzu: „Das Zusammenspiel des höherdimensionalen nicht-hermiteschen Hauteffekts mit grundlegenden hermiteschen Szenarien wie gekrümmten Räumen, Schwarzen Löchern, Quanteninformation und höher- Ordnung topologischer Phasen erfordert die Erforschung von Vielteilchensystemen über ein eindimensionales System hinaus. Der hohe Grad an Kontrolle in unserem System macht es zu einer vielseitigen Plattform für die Erforschung hochdimensionaler nicht-hermitescher Phänomene und bietet Einblicke in die exotische Quantenphysik jenseits des Bereiche kondensierter Materie und ultrakalter Atome.
Das Team betonte, dass ein vollständiges Verständnis des NHSE weiterhin schwer zu erreichen sei und wichtige Fragen noch unbeantwortet seien: „Gibt es eine allgemeine topologische Erklärung für NHSE?“ und „Inwieweit bestimmt die Topologie ihre Anwesenheit oder Abwesenheit?“ „Diese berichtete Arbeit schafft die Voraussetzungen für die Erforschung solcher Fragen“, fügte Prof. Jo hinzu.
