[논문 리뷰] Extended-localized transition in diffusive quasicrystals

Zhoufei Liu, Cao, Pei-Chao외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 14.

Quasicrystal Structures and Properties참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 결합된 링 체인 구조를 사용하여 확산(quasi)정련체의 첫 번째 실현을 제안하며, 1차원 Anbry-André- Harper (AAH) 모델에서 확장-국소화 전이를 입증한다. 열전도도와 링 속도를 조절함으로써 비헤르미트 물리학을 나타내며, 온도장에서 새로운 이중 국소화 중심 현상이 드러나며, 이는 융통성 있고 이중 목적의 전력 생성을 위한 새로운 비헤르미트 통합 이중 트레이스 분포 발전기의 가능성을 열어준다.

ABSTRACT

Compared to periodic systems, quasicrystals without translational invariance exhibit unexpected localization properties. The extended-localized transition in quasicrystals has been observed in both quantum and classical wave systems. However, its manifestation in diffusion systems, which serve as novel platforms for exploring phases of matter in condensed matter physics, remains unexplored. Here, we present the implementation of the extended-localized transition in a diffusive quasicrystal based on the coupled ring chain structure. By modulating the thermal conductivities of rings, we obtain the diffusive one-dimensional Aubry-André-Harper (AAH) model, which exhibits an extended-localized transition. Thanks to the ring-shaped chain, we clearly demonstrate the extended-localized transition under the uniform excitation through temperature field simulations. For the localized state, the temperature field clearly demonstrates a multiple localization centers phenomenon, which has no counterpart in wave systems. We also quantitatively investigate the temperature evolution and size effect of this transition. Furthermore, the local excitation has been adopted to demonstrate the temperature field for both the extended and localized states. Besides, we implement the non-Hermitian diffusive AAH model by rotating rings, whose temperature field shows a moving multiple localization centers phenomenon in the localized phase. Finally, we give the experimental suggestions for the diffusive AAH model and propose a potential application named as double-trace distributed generator. Our results can facilitate the design of flexible thermal devices and efficient heat management.

연구 동기 및 목표

• 양자 및 파동 시스템에서의 진전에도 불구하고 아직 탐색되지 않은 확산 시스템에서 정련체적 질서를 실현하고자 한다.
• 결합된 링 체인 구조를 사용하여 확산 열전도 시스템에서의 확장-국소화 전이를 입증하고자 한다.
• 확산 정련체에서 앤더슨 국소화와 비헤르미트 물리학 간의 상호작용을 조사하고자 한다.
• 온도장에서 관찰된 이중 국소화 중심 현상의 원인과 중요성을 규명하고, 이를 새로운 열기기 응용에 활용하고자 한다.
• 융통성 있고 분산형 전력 생성을 위한 비헤르미트 통합 이중 트레이스 분포 발전기를 제안하고자 한다.

제안 방법

• 조절 가능한 열전도도와 링 속도를 가진 결합된 링 체인 구조를 통해 1차원 확산 AAH 모델을 구성한다.
• 푸리에의 법칙과 평면파 해법을 적용하여 열전도 방정식에서 효과적인 비헤르미트 해밀토니안을 유도한다.
• 열전도도와 유동항을 조절하여 비헤르미트 스킨 효과와 반대-파리티-시간(APT) 대칭 AAH 모델을 실현한다.
• 유한요소 시뮬레이션을 수행하여 온도장의 진화를 추적하고 국소화 행동을 식별한다.
• APT 대칭 조건을 사용하여 시스템에서 비파괴(확장된) 및 파괴(국소화된) 상을 구분한다.
• 이중 국소화 중심에 열전기 재료를 배치하여 이중 목적의 전력 수확을 위한 분포 발전기를 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내재된 소산이 존재하는 바에 아예도 확산 시스템에서 정련체적 질서를 실현할 수 있는가?
• RQ2 비공약성 조절이 있는 열확산 시스템에서 확장-국소화 전이가 존재하는가?
• RQ3 비헤르미트 물리학, 예를 들어 스킨 효과와 APT 대칭은 확산 정련체에서 국소화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 앤더슨 국소화 상태의 온도장에서 관찰된 이중 국소화 중심의 기원과 중요성은 무엇인가?
• RQ5 이중 국소화 중심 현상은 실용적인 열에너지 수확 응용에 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 확산 AAH 모델은 링 및 계면 특성의 매개변수 조절을 통해 명확한 확장된 상태와 국소화된 상태를 가지는 준주기적 시스템을 성공적으로 실현한다.
• 유한요소 시뮬레이션은 확산 AAH 모델에서 확장-국소화 전이가 존재함을 확인한다.
• 표준, 비대칭, APT 대칭 AAH의 세 모델 모두에서 앤더슨 국소화 상태에 대해 온도장에서 새로운 이중 국소화 중심 현상이 나타난다.
• 이중 국소화 중심은 양자 및 고전적 파동 시스템에는 존재하지 않으며, 이는 확산 정련체의 고유한 특징임을 시사한다.
• APT 비파괴 상은 균일하고 움직이지 않는 온도장을 나타내며, APT 파괴 상은 열번째 링에서 강한 국소화를 보이며 이동하는 프로파일을 나타낸다.
• APT 대칭과 앤더슨 국소화를 통해 이중 국소화 중심을 의도적으로 설계할 수 있으며, 이는 이중 목적의 전력 생성을 위한 열전기 재료의 융통성 있는 배치를 가능하게 한다.