[論文レビュー] Observation of non-Hermitian many-body skin effects in Hilbert space

Weixuan Zhang, Fengxiao Di+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2021

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics参考文献 39被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、3つの相関するボソンを模擬する3次元電気回路プラットフォームを用いて、ヒルバート空間内での非エルミートな多体スキン効果を実験的に示した。多数体固有状態を回路モードにマッピングし、空間的インピーダンス応答を測定することで、有効な境界におけるヒルバート空間内での局在化を示す相互作用誘発スキン状態を観測した。これは、相関する非エルミート系において、このような現象が初めて実験的に実現されたものである。

ABSTRACT

Non-Hermiticity greatly expands existing physical laws beyond the Hermitian framework, revealing various novel phenomena with unique properties. Up to now, most exotic nonHermitian effects, such as exceptional points and non-Hermitian skin effects, are discovered in single-particle systems. The interplay between non-Hermitian and manybody correlation is expected to be a more fascinating but much less explored area. Due to the complexity of the problem, current researches in this field mainly stay at the theoretical level. The experimental observation of predicted non-Hermitian manybody phases is still a great challenging. Here, we report the first experimental simulation of strongly correlated non-Hermitian many-body system, and reveal a new type of nonHermitian many-body skin states toward effective boundaries in Hilbert space. Such an interaction-induced non-Hermitian many-body skin effect represents the aggregation of bosonic clusters with non-identical occupations in the periodic lattice. In particular, by mapping eigen-states of three correlated bosons to modes of the designed threedimensional electric circuit, non-Hermitian many-body skin effects in Hilbert space is verified by measuring the spatial impedance response. Our finding not only discloses a new physical effect in the non-Hermitian many-body system, but also suggests a flexible platform to further investigate other non-Hermitian correlated phases in experiments.

研究の動機と目的

• 非エルミート性と多体相関の相互作用を、物性物理学においてほとんど未開拓であった分野として探求すること。
• 複雑さのため理論的であるがほとんど実験的実現がなされていなかった非エルミートな多体相を実験的に実現・検証すること。
• 非同一占有のボソンクラスタがヒルバート空間内の有効境界に集積する、新しいタイプのスキン効果を示すこと。
• 奇妙な非エルミートな相関量子相を探索するための柔軟な実験的プラットフォームを構築すること。

提案手法

• 研究者たちは、周期的格子内における3つの相互作用ボソンの固有状態を、設計された3次元電気回路ネットワークのモードにマッピングした。
• 回路は、調整可能な増幅および減衰を有する非エルミートな多体系のハミルトニアンを模倣するように設計された。
• ヒルバート空間内での固有状態の局在性を調査するために、回路の空間的インピーダンス応答を測定した。
• 実験データは、非一様な固有状態分布および有効境界での局在化といったスキン状態の兆候を同定するために分析された。
• 回路設計における非対称結合および増幅／減衰素子を通じて、系の非エルミート性が導入された。
• 回路の有効ハミルトニアンの理論的モデリングにより、多体ヒルバート空間内での非エルミートスキン効果の出現が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相関する量子系において、非エルミートな多体スキン効果を実験的に観測できるか？
• RQ2 多体相互作用は、ヒルバート空間内での非エルミートスキン状態の構造と局在性にどのように影響するか？
• RQ3 ヒルバート空間の構造は、非エルミート系における有効境界への局在化を可能にする役割を果たすか？
• RQ4 電気回路プラットフォームは、非エルミートな多体現象を正確にシミュレートし、明らかにできるか？
• RQ5 相互作用誘発非エルミートスキン効果を、単体粒子アナログと区別する測定可能なシグネチャーは何か？

主な発見

• 実験では、非同一占有のボソンクラスタがヒルバート空間内の有効境界に集積する、非エルミートな多体スキン効果の新種を成功裏に観測した。
• 電気回路の空間的インピーダンス応答は、固有状態の強い局在性を示し、多体ヒルバート空間内でのスキン効果の存在を確認した。
• 観測されたスキン効果は多体相互作用によって駆動されており、単体粒子非エルミートスキン効果とは明確に区別される。
• 実験データは、相関系における非エルミート局在の理論的予測と一致し、回路ベースのシミュレーション手法の妥当性が裏付けられた。
• ヒルバート空間が、実空間境界が存在しない状況でも、非エルミートダイナミクスのための有効境界を有することが実証された。
• このプラットフォームは、複雑な非エルミート多体相のスケーラブルなシミュレーションを可能にし、実験的探求の新たな道を開いた。