[논문 리뷰] Anomalous transport regime in non-Hermitian, Anderson-localizing hybrid systems

Himadri Nath Sahoo, R Vijay외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 10.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 강한 불순물이 존재하는 1차원 비헤르미트리 하이브리드 시스템에서 스푸프 표면 플라스몬 폴리톤(SSFs)과 광자로 구성된 비정상적인 운반 메커니즘을 실험적으로 입증한다. 전통적인 시스템에서 앤드류슨 국소화가 운반을 억제하는 바에 걸쳐, 저자들은 비수직인 공존 국소화 모드가 형성하는 미니밴드를 통해 증가된 전송을 관찰하였으며, 이는 일반화된 전도도 ⟨g′⟩ > 1 및 금속성 영역에서의 가우시안 분포된 전도도 값으로 확인된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 강한 불순물 조건에서 전통적인 국소화가 전송을 억제할 것으로 예상되는 하이브리드 비헤르미트리 시스템의 운반 거동을 조사하기 위해.
• 비헤르미트리성과 모드의 하이브리드화가 국소화되는 불순물 조건에서도 도전 상태를 안정화시킬 수 있는지 탐구하기 위해.
• 직접적인 파동함수 및 위상 측정을 통해 표준 국소화를 초월하는 새로운 운반 영역의 존재를 실험적으로 검증하기 위해.
• 강한 불순물이 존재하는 비헤르미트리 환경에서 전도도의 통계적 분포를 특성화하고 금속성 행동의 징후를 식별하기 위해.

제안 방법

• 마이크로파장 주파수에서 스푸프 표면 플라스몬 폴리톤(SSPPs)을 지지하는 조합형 주기적 마이크로구조를 가진 1차원 구리 샘플을 제작하였다.
• 국소화 강도를 조절하기 위해 주기적 마이크로구조를 의도적으로 변경함으로써 제어된 불순물을 도입하였다.
• 하이브리드화된 파동함수의 공간 분포와 위상을 직접 측정하기 위해 근접장 프로브를 사용하였다.
• 다양한 불순물 구성에 걸쳐 일반화된 전도도 ⟨g′⟩를 측정하여 운반 특성을 평가하였다.
• 1차원 불순물 시스템에서 국소화 전이 근처의 이론 모델과 비교하여 전도도 분포 P(g′)를 분석하였다.
• 관측된 위상 점프와 목걸이 상태의 구성 구조를 검증하기 위해 수치 시뮬레이션을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비헤르미트리 하이브리드 시스템은 전통적으로 앤드류슨 국소화를 유도할 조건에서 증가된 운반을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 강한 불순물 조건에서 비정상적인 전송을 일으키는 기인한 상태의 성격은 무엇인가?
• RQ3 이 시스템에서의 전도도 통계적 특성은 전통적인 국소화 또는 금속성 영역과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ4 국소화 모드의 비수직성은 불순물 시스템에서 에너지 교환과 미니밴드 형성에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 비정상적인 운반 영역은 강한 불순물 조건에서 모든 구성에 대해 견고한가? 그리고 어떻게 정량화할 수 있는가?

주요 결과

• 중간 정도의 불순물 조건에서는 전통적인 앤드류슨 국소화가 관찰되며, 지수적 파동함수 尾와 함께 ⟨g′⟩ < 1의 전도도로 절연체 행동과 일치한다.
• 강한 불순물 조건에서는 일반화된 전도도 ⟨g′⟩가 1.2로 급격히 상승하며(가우시안 피팅 결과 ⟨g′⟩ = 1.16), 이는 절연체적 불순물 조건임에도 불구하고 금속성 유사 영역임을 시사한다.
• 비정상적인 영역에서의 전도도 분포 P(g′)는 국소화 영역에서의 로그정규분포와 대비하여 가우시안 분포를 따르며, 확장된 금속성 유사 상태의 존재를 확인한다.
• 목걸이 상태—다중 국소화 공진의 간섭적 초위상—는 모든 고불순물 구성에서 지속되며, 근접장 프로브를 통해 직접 영상화되었다.
• 파동함수의 위상 점프는 목걸이 상태 내부에 공존하는 다중 국소화 모드의 존재를 확인하며, 수치 시뮬레이션과 뛰어난 일치를 보였다.
• 비정상적인 운반 영역은 하이브리드화 주파수(4.5 GHz) 근처에 국소화되어 있으며, 이는 주파수 고정 및 제약된 이동성으로 인해 기인한 미니밴드 형성과 관련되어 있다.