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【Science Bulletin编辑精选】探索非厄米拓扑现象：前沿研究与潜在应用揭秘

中国科学杂志社

2025-04-03 15:19发布于北京

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相较于恪守能量守恒定律的传统量子或经典系统, 非厄米系统凭借其独特的增益机制、损耗特性以及非平衡态的融入, 不仅极大地拓宽了拓扑现象的边界, 更为探索新兴应用领域铺设了坚实的基石. 为此, 本期Science Bulletin特邀编委张柏乐教授精心挑选了近期在Science Bulletin上发表的系列论文, 这些论文深入探讨了物理体系中非厄米拓扑现象的丰富内涵. 从理论层面剖析其新颖的物理机制, 到实验角度验证并探索这些现象的潜在应用, 展现非厄米系统的魅力所在.

本期编辑

张柏乐, 新加坡南洋理工大学数理学院物理学教授. 他先后毕业于清华大学（本科、硕士）和麻省理工学院（博士）, 并在新-麻联合研究中心完成博士后研究. 2011年起任教南洋理工大学, 2021年晋升为正教授. 2023年加入Science Bulletin特邀编委团队. 研究兴趣涵盖复杂介质波、超材料、光子和声子晶体及声学.

【点击题目可获取原文】

HaipingHu

Science Bulletin 2025; 70(1): 51–57, doi: 10.1016/j.scib.2024.07.022

高维非厄米趋肤效应的拓扑起源与一致谱理论

胡海平

非厄米系统的趋肤效应是指本征态大量聚集在系统边界, 这一现象在一维系统中已被广泛研究, 但在高维情况下, 由于晶格几何形状的复杂性, 理解变得困难. 本研究从“点能隙”的角度出发, 揭示了趋肤效应的拓扑起源, 并提出“一致谱”概念, 证明其与几何形状无关, 并等同于非布洛赫能谱. 在此基础上, 作者进一步建立了不同几何形状下趋肤模的联系, 为非厄米趋肤效应在各维度的统一理解提供了新的视角.

ZhiweiGuo, Jiayue Jiang, Yuqian Wang, Jose Alvarez-Cuervo, Aitana TarazagaMartin-Luengo, Shengyu Hu, Jie Jiang, Pablo Alonso Gonzalez, Jiahua Duan, HongChen

Science Bulletin 2024; 69(22): 3491–3495, doi: 10.1016/j.scib.2024.09.027

奇异点赋能的双曲极化激元近场路由

郭志伟, 江佳悦, 王宇倩, Jose Alvarez-Cuervo, Aitana Tarazaga Martin-Luengo, 胡胜宇, 姜杰, Pablo Alonso Gonzalez, 段嘉华, 陈鸿

如何精准控制波的传播, 是光学、声学和热学等领域的重要课题. 本研究利用金属天线中的光学模式耦合, 构建了一种特殊的非厄米光学系统, 可将线性偏振光转换为任意偏振态, 相当于一种平面“超构源”. 其中, 系统中的奇异点不仅能产生手性偏振涡旋, 还能打破传统波传播的对称性, 实现高效的定向传输. 该方法适用于从微波到红外的极化激元, 为片上通信、热调控和光子电路等领域提供了一种全新的波控制策略.

DeyuanZou, Tian Chen, Haiyu Meng, Yee Sin Ang, Xiangdong Zhang, Ching Hua Lee

Science Bulletin 2024; 69(14): 2194–2204, doi: 10.1016/j.scib.2024.05.036

经典电路网络中奇异束缚态的实验观察

邹德源, 陈天, 孟海瑜, Yee Sin Ang, 张向东, 李庆华

奇异束缚态是一类受非厄米奇异点保护的特殊束缚态, 近年来被发现与量子纠缠中的负纠缠熵有关. 它最初被理解为负概率本征态, 物理意义一直不够直观. 本研究发现,奇异束缚态不仅存在于量子系统, 也普遍适用于经典系统. 研究者利用电路网络的稳定共振电压分布, 首次在实验中观测到这一现象. 这一突破将难以捉摸的量子现象引入传统超材料领域, 并为设计鲁棒性模式提供了新的思路.

Hau Tian Teo, Subhaskar Mandal, Yang Long, Haoran Xue, BaileZhang

Science Bulletin 2024; 69(11): 1667–1673, doi: 10.1016/j.scib.2024.04.023

非厄米趋肤效应的赝磁抑制

张浩田, Subhaskar Mandal, 龙洋, 薛昊冉, 张柏乐

非厄米趋肤效应会导致系统本征态聚集在边界, 而最新研究发现, 这一效应可被磁场抑制. 本研究构建了一个可同时支持非厄米趋肤效应和赝磁场的晶格模型, 揭示了赝磁场如何将趋肤模式从边界推回晶格内部, 并恢复朗道能级. 这一发现提供了一种在保持时间反演对称性的前提下, 灵活调控趋肤模式的方法, 并可应用于对外加磁场无响应的各类支持非厄米趋肤效应的经典波器件.

Yun-Kai Liu, Pei-Chao Cao, Minghong Qi, Qiang-Kai-Lai Huang,Feng Gao, Yu-Gui Peng, Ying Li, Xue-Feng Zhu

Science Bulletin 2024; 69(9): 1228–1236, doi: 10.1016/j.scib.2024.02.040

热扩散系统中非厄米趋肤效应的观测

刘云开, 曹培超, 祁铭鸿, 黄强开来, 高峰, 彭玉桂, 李鹰, 祝雪丰

非厄米趋肤效应已在量子、光学和声学系统中得到验证, 但在扩散系统中的观测仍是空白. 本研究构建了一种特殊的热扩散晶格, 通过巧妙设计结构参数, 实现了晶胞内的温度场非对称耦合, 并在实验中观测到热扩散非厄米趋肤效应. 研究发现, 温度场会自发聚集到特定边界, 并对初始激励和晶格缺陷表现出较强的鲁棒性. 这一发现不仅拓展了非厄米物理的研究范畴, 还为高效热量收集和高灵敏热传感等应用提供了新思路.

XiaoLi, Chuanjie Hu, Yuan Tian, Youwen Liu, Huanyang Chen, Yadong Xu, Ming-Hui Lu,Yangyang Fu.

Science Bulletin 2023; 68(21): 2555–2563, doi: 10.1016/j.scib.2023.09.028

非厄米梯度超构表面中的奇异点及其最大螺旋二色性

李潇, 胡传捷, 田源, 刘友文, 陈焕阳, 徐亚东, 卢明辉, 伏洋洋

螺旋二色性突破了传统圆二色性的局限, 为研究波与物质的手性相互作用提供了新方法. 然而, 手性信号通常较弱, 增强这一效应极具挑战. 本研究通过在非厄米梯度超构表面引入手性奇异点, 实现了最大螺旋二色性. 由于奇异点所诱发的非对称手性耦合特性, 通过灵活设计, 可以实现多样化的极端手性调控. 研究者通过声学实验验证了这一现象, 为手性信号增强、单向传播和信息多路复用等应用开辟了新路径.

Tuo Wan, Kai Zhang, Junkai Li, Zhesen Yang, Zhaoju Yang.

Science Bulletin 2023; 68(20): 2330–2335,doi: 10.1016/j.scib.2023.09.013

几何依赖趋肤效应和动力学简并劈裂的观测

万拓, 张锴, 李钧楷, 杨哲森, 杨兆举

非厄米趋肤效应会导致体态异常地聚集在系统边缘, 其物理起源仍在探索中. 近期有理论提出一种基于等能线上动力学简并的表征方法, 反映了谱函数的强各向异性. 本研究在二维声学晶体中实验观测到几何相关的非厄米趋肤效应和动力学简并劈裂, 并通过测量揭示了二者的对应关系. 这一发现不仅提供了研究非厄米物理的新实验平台, 也为理解和表征非厄米趋肤效应开辟了新的思路.

Zhi-Qiang Zhang, Hongfang Liu, Haiwen Liu, Hua Jiang, X. C. Xie.

Science Bulletin2023; 68(2): 157–164

无序非厄密系统中的体-边对应

张智强, 刘宏芳, 刘海文, 江华, 谢心澄

非布洛赫能带理论在研究非厄米系统时至关重要, 但通常仅适用于无杂质的理想体系, 而无序系统中的体-边对应一直缺乏有效处理. 本研究提出了一种适用于无平移对称性体系的体-边对应方法, 并构建了无序系统下的广义布里渊区理论. 该方法不仅揭示了无序系统中缠绕数与趋肤效应的关系, 还准确刻画了趋肤效应的强度、方向随参数的演化趋势, 并预言了其反转现象.

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