[論文レビュー] Anomalous transport regime in non-Hermitian, Anderson-localizing hybrid systems

Himadri Nath Sahoo, R Vijay+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、強い不純度下で、スプooks表面プラズモン極性波（SSPPs）と光子からなる1次元非エルミート型ハイブリッド系において、異常な輸送状態が実験的に示された。通常の系ではアインシュタイン局在が輸送を抑制するが、著者らは非直交的で重複する局在モードが共存することで形成されるミニバンドを示す、出現するネックレス状態のおかげで、輸送が増幅されているのを観測した。これは一般化された伝導度 ⟨g′⟩ > 1 および金属的状態におけるガウス分布を示す伝導度値によって裏付けられている。

ABSTRACT

In a disordered environment, the probability of transmission of a wave reduces with increasing disorder, the ultimate limit of which is the near-zero transmission due to Anderson localization. Under localizing conditions, transport is arrested because the wave is trapped in the bulk of the sample with decaying-exponential coupling to the boundaries. Any further increase in disorder does not modify the overall transport properties. Here, we report the experimental demonstration of a hitherto-unrealized anomalous transport of hybrid particles under localizing disorder in a non-Hermitian setting. We create hybrid polariton-photon states in a one-dimensional copper sample with a comb-shaped periodic microstructure designed for microwave frequencies. Metallic dissipation realizes the necessary non-Hermiticity. Disorder is introduced by deliberate alterations of the periodic microstructure. Direct measurement of wave-functions and phases was achieved by a near-field probe. At a particular disorder, We observe the onset of Anderson localization of the hybrid states endorsed by exponential tails of the wavefunction. However, at stronger disorder and under conditions that support localization, an unexpected enhancement in the transmission was facilitated by an emergent mini-band. The transmission was traced to the hopping of the hybrid particle over multiple co-existing localized resonances that exchange energy due to the non-orthogonality. These emergent states are manifested in all configurations under strong disorder, suggesting the formation of a novel transport regime. This is verified by measuring the averaged conductance which endorses an anomalous transport regime in the hybrid, non-Hermitian environment under strong disorder. These experimental observations open up new unexplored avenues in the ambit of disorder under non-Hermitian conditions.

研究の動機と目的

• 強い不純度下におけるハイブリッドで非エルミート的系の輸送挙動を調査すること。ここでは、通常の局在が輸送を抑制する。
• 非エルミート性とモードのハイブリダイゼーションが、局在的不純度があるにもかかわらず導電状態を安定化させることを検討すること。
• 直接的な波動関数および位相測定を用いて、標準的局在を超える新しい輸送状態の存在を実験的に検証すること。
• 強い不純度を示す非エルミート的環境下における伝導度の統計的分布を特徴づけ、金属的挙動の兆候を特定すること。

提案手法

• マイクロ波周波数でスプooks表面プラズモン極性波（SSPPs）を支持する、Comb型の周期的マイクロ構造を持つ1次元銅試料を加工した。
• 周期的マイクロ構造を意図的に変更することで、局在化強度を調整する制御された不純度を導入した。
• 近接場プローブを用いて、ハイブリダイズされた波動関数の空間的分布および位相を直接測定した。
• 複数の不純度配置において一般化伝導度 ⟨g′⟩ を測定し、輸送特性を評価した。
• 伝導度分布 P(g′) を解析し、局在化遷移付近における1次元不純度系の理論モデルと比較した。
• 数値シミュレーションを用いて、観測された位相ジャンプおよびネックレス状態の構成要素を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非エルミート的ハイブリッド系は、通常アインシュタイン局在を引き起こす条件下でも、増幅された輸送を示すことができるか？
• RQ2 強い不純度下で異常な輸送を引き起こす原因となる出現状態の性質は何か？
• RQ3 本系における伝導度の統計的性質は、従来の局在的または金属的状態と比べてどのように異なるか？
• RQ4 局在モードの非直交性が、不純度系におけるエネルギー交換およびミニバンド形成をどの程度可能にするか？
• RQ5 異常な輸送状態は、強い不純度下のすべての配置で安定しており、その強度はどのように定量化されるか？

主な発見

• 中程度の不純度下では、通常のアインシュタイン局在が観測され、波動関数の尾部が指数関数的に減衰し、伝導度 ⟨g′⟩ < 1 となる。これは絶縁体的挙動と整合的である。
• 強い不純度下では、一般化伝導度 ⟨g′⟩ が1.2に急激に上昇（ガウスフィットで ⟨g′⟩ = 1.16）し、絶縁的不純度にもかかわらず金属的状態に類似した状態が存在することが示された。
• 異常状態における伝導度分布 P(g′) はガウス分布に従い、局在状態における対数正規分布とは対照的である。これは、拡張的で金属的状態に類似した状態の存在を確認するものである。
• ネックレス状態—複数の局在共鳴モードのコherentな重ね合わせ—は、すべての高不純度配置で持続し、近接場プローブによる直接撮像がなされた。
• 波動関数における位相ジャンプは、ネックレス状態内に複数の重複する局在モードが存在することを確認しており、数値シミュレーションと良好に一致している。
• 異常な輸送状態は、ハイブリダイゼーション周波数（4.5 GHz）付近に局在しており、周波数ピン留めと制限された移動性が、出現するミニバンドの形成をもたらしている。