[論文レビュー] Observation of Erratic Non-Hermitian Skin Localization and Transport

Jiaxin Zhong, Jee Woo Kim+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2026

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics被引用数 0

ひとこと要約

論文は、全球対称性を持つ分散Hatano–Nelson音響格子における不規則な非厳密皮膚局在（ENHSL）を示し、マクロスコピックで欠陥依存のバルク局在が発生する一方で、ビシネスなアンサンブル輸送と普遍的なLévy–arcsine dominated-site統計が共存することを示す。

ABSTRACT

Localization is a pervasive phenomenon across physics, shaping transport from electrons in solids to light and sound in engineered media. In traditional settings, disorder strongly impedes transport, resulting in dynamical localization or, at best, sub-ballistic or diffusive dynamics. A distinct and previously unobserved regime, erratic non-Hermitian skin localization (ENHSL), can arise in globally reciprocal non-Hermitian lattices with disorder. It features macroscopic, disorder-dependent localization at irregular bulk positions with subexponential decay, linked to stochastic interfaces governed by the universal order statistics of random walks. We realize this regime experimentally in an acoustic lattice implementing a disordered Hatano-Nelson chain with imaginary gauge fields. Using Green's-function-based spectroscopy together with time-resolved measurements on the same platform, we reconstruct the full complex spectrum and eigenstates, and directly observe wave-packet dynamics. Remarkably, we observe ballistic transport despite strong spectral localization. We develop a transport theory that connects the dominant propagation site to the maximal random-walk excursion within an expanding light cone and predicts a universal Levy-arcsine statistics, in quantitative agreement with experiment. Our results decouple eigenstate localization from transport and establish ENHSL as a new paradigm for wave dynamics.

研究の動機と目的

• 莫大な、新しい局在化レジーム—erratic non-Hermitian skin localization（ENHSL）—を globally reciprocal non-Hermitian lattices with disorder において動機づけ、実現する。
• 実験的に disordered Hatano–Nelson chain with imaginary gauge fields を実装した音響格子を用いて ENHSL を実現する。
• Green’s-function spectroscopy によって完全な複素スペクトルと固有状態を再構成し、スペクトルと時間発展特性をマッピングする時系列測定を行う。
• 展開する光円錐内で最大のランダムウォーク偏位 excursions に対応する dominant propagation site を結ぶ輸送理論を開発・検証する。

提案手法

• linkwise random imaginary gauge fields h_n を零平均分布から引く disordered Hatano–Nelson chain を音響格子で実装する。
• site-by-site excitations から {E_m} および {ψ_m,n} を再構成する Green’s-function-based spectroscopy を実施する。
• ガウス調波を用いた波束の時系列ダイナミクスを測定し、検出を同期させて全サイトにわたる ψ_n(t) を取得する。
• 非ユニタリなゲージ変換を適用して問題を一様な Hermitian chain に写し、P_n(t) と dominant-site statistics の解析的表現を得る。
• localization を inverse participation ratio (IPR) および mode-summed intensity Ψ_n で定量化し、拡散距離 d(t) で ensemble transport を解析する。
• light cone 内の dominant site n_0(t) に対して Lévy–arcsine distribution を予測・検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ENHSL は globally reciprocal non-Hermitian lattices with disorder で発生し得るのか、スペクトルおよび空間表現はどう現れるのか？
• RQ2 ENHSL は波束輸送にどのように影響し、ビシネスなアンサンブル輸送と強いスペクトル局在が共存できるのか？
• RQ3 dominant propagation sites を支配する統計的機構は何で、普遍的な極値統計に従うのか？
• RQ4 同じプラットフォームで完全なスペクトルと時系列輸送の両方を抽出する統一的スペクトル-ダイナミクスプロトコルは実現可能か？

主な発見

• ENHSL はサンプル特有のバルク局在ピークを macroscopically 形成し、 X_n の大規模な excursion と相関する指数以下での減衰を示す。
• スペクトルは本質的には実数のままで、境界条件の影響は弱く、従来の NHSE とは異なる。
• 時系列測定は強いスペクトル局在にもかかわらずビシネス輸送を示し、 d(t) は平均して線形に増大する。
• 非ユニタリなゲージ変換により問題は Hermitian chain に写され、輸送は光円錐内の対称ランダムウォークの最大偏位によって支配されることが明らかになる。
• dominant propagation site n_0(t) は区間 [-n_LB(t), n_LB(t)] の上でLévy–arcsine 分布に従い、ビシネスなアンサンブルの広がりを定量的に説明する。
• 同じプラットフォーム上でのスペクトル再構成とダイナミクス測定は、ENHSL 局在と極値統計との関連を検証する。