[논문 리뷰] Observation of non-Hermitian many-body skin effects in Hilbert space

Weixuan Zhang, Fengxiao Di외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 17.

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics참고 문헌 39인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 세 개의 상호작용하는 보존을 시뮬레이션하기 위해 3차원 전기 회로 플랫폼을 사용하여 힐버트 공간에서 비헤르미트 many-body 스킨 효과를 실험적으로 입증한다. 다체 고유상태를 회로 모드로 매핑하고 공간 임피던스 반응을 측정함으로써, 저자들은 힐버트 공간의 효과적인 경계에서 국소화된 상호작용 유도 스킨 상태를 관찰하였으며, 이는 상호작용하는 비헤르미트 시스템에서 이러한 현상의 첫 번째 실험적 실현이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비헤르미트성과 다체 상관관계의 상호작용을 탐구하기 위해, 이는 응집물리학에서 거의 탐색되지 않은 분야이다.
• 복잡성으로 인해 대부분 이론적인 상태에 머물러 있는 비헤르미트 다체 상을 실험적으로 실현하고 검증하기 위해.
• 비동일한 점유를 가진 보존 클러스터가 힐버트 공간의 효과적인 경계로 집합되는 새로운 유형의 스킨 효과를 보여주기 위해.
• 기묘한 비헤르미트 상관 양자 상을 탐색하기 위한 융통성 있는 실험 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 연구진은 주기적 격자에서 상호작용하는 세 보존의 고유상태를 설계된 3차원 전기 회로 네트워크의 모드로 매핑하였다.
• 이 회로는 조절 가능한 증폭과 손실을 가진 비헤르미트 다체 시스템의 해밀토니안을 모방하도록 설계되었다.
• 힐버트 공간에서 고유상태의 국소화 성질을 탐구하기 위해 회로 전역의 공간 임피던스 반응을 측정하였다.
• 실험 데이터는 비균일한 고유상태 분포와 효과적 경계에서의 국소화를 포함한 스킨 상태의 서명을 식별하기 위해 분석되었다.
• 이 시스템의 비헤르미트 성격은 회로 설계에서 비대칭 결합 및 증폭/손실 요소를 통해 도입되었다.
• 회로의 효과적 해밀토니안에 대한 이론적 모델링은 다체 힐버트 공간에서 비헤르미트 스킨 효과의 발생을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비헤르미트 다체 스킨 효과는 상호작용하는 양자 시스템에서 실험적으로 관측될 수 있는가?
• RQ2 다체 상호작용은 힐버트 공간에서 비헤르미트 스킨 상태의 구조와 국소화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 힐버트 공간의 구조는 비헤르미트 시스템에서 효과적 경계 국소화를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 전기 회로 플랫폼은 비헤르미트 다체 현상을 정확하게 시뮬레이션하고 드러낼 수 있는가?
• RQ5 상호작용 유도 비헤르미트 스킨 효과를 단체 입자 유사체와 구별하는 측정 가능한 서명은 무엇인가?

주요 결과

• 실험은 비동일한 점유를 가진 보존 클러스터가 힐버트 공간의 효과적인 경계로 집합되는 새로운 유형의 비헤르미트 다체 스킨 효과를 성공적으로 관측하였다.
• 전기 회로의 공간 임피던스 반응은 고유상태의 강한 국소화를 드러내어 다체 힐버트 공간에서 스킨 효과의 존재를 확인하였다.
• 관측된 스킨 효과는 다체 상호작용에 의해 유도되며, 이는 단체 입자 비헤르미트 스킨 효과와 구별된다.
• 실험 데이터는 상호작용이 있는 시스템에서 비헤르미트 국소화의 이론적 예측과 일치하여, 회로 기반 시뮬레이션 접근법의 타당성을 검증하였다.
• 결과는 실공간 경계가 없더라도 힐버트 공간이 비헤르미트 동역학에서 효과적인 경계를 가질 수 있음을 보여주었다.
• 이 플랫폼는 복잡한 비헤르미트 다체 상의 스케일러블 시뮬레이션을 가능하게 하여, 실험적 탐구의 새로운 길을 열었다.