[论文解读] Chiral control of quantum states in non-Hermitian spin-orbit-coupled fermions

Zejian Ren, Dong Liu+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2021

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics被引用 7

一句话总结

本研究通过设计的自旋-轨道耦合与可调耗散，在超冷费米子中实现了量子态的手性控制，实现在非厄米哈密顿量中的宇称-时间（PT）对称性破缺相变，其特征为奇异点（EP）。通过在参数空间中动态环绕EP，实验观测到方向依赖的自旋转移，直接证明了多体费米子系统中非绝热、手性量子态演化，这是非厄米拓扑物理的典型特征。

ABSTRACT

Spin-orbit coupling is an essential mechanism underlying quantum phenomena such as the spin Hall effect and topological insulators. It has been widely studied in well-isolated Hermitian systems, but much less is known about the role dissipation plays in spin-orbit-coupled systems. Here, we implement dissipative spin-orbit-coupled bands filled with ultracold fermions, and observe parity-time symmetry breaking as a result of the competition between the spin-orbit coupling and dissipation. Tunable dissipation, introduced by state-selective atom loss, enables us to tune the energy gap and close it at the critical dissipation value, the so-called exceptional point. In the vicinity of the critical point, the state evolution exhibits a chiral response, which enables us to tune the spin-orbit coupling and dissipation dynamically, revealing topologically robust chiral spin transfer when the quantum state encircles the exceptional point. This demonstrates that we can explore non-Hermitian topological states with spin-orbit coupling.

研究动机与目标

• 研究自旋-轨道耦合与非厄米耗散在量子多体系统中的相互作用。
• 在利用超冷费米子实现的合成非厄米哈密顿量中，观测宇称-时间（PT）对称性破缺相变。
• 通过在参数空间中环绕奇异点，演示手性量子态转移。
• 探索具有费米统计的完全量子态下非厄米量子相的拓扑性质。

提出的方法

• 利用两组超精细态的拉曼激光，在超冷⁴⁰K费米子中实现工程化自旋-轨道耦合。
• 通过失谐激光束实现态选择性原子损失，以创建可调、自旋依赖的耗散（γ↓）。
• 通过动态调节损失率和横向动量（qx），控制系统的演化，以在参数空间中环绕奇异点。
• 在绝热或非绝热环绕后，通过飞行时间成像与自旋分辨测量，检测手性态转移。
• 使用非厄米有效哈密顿量的数值模拟，建模态转换效率并验证实验观测结果。
• 应用光学斯特恩-盖拉赫脉冲测量环绕后的最终自旋极化，以量化手性转移。

实验结果

研究问题

• RQ1 非厄米耗散如何影响自旋-轨道耦合费米子的能量谱与拓扑性质？
• RQ2 在多体超冷费米子系统中，宇称-时间（PT）对称性破缺相变能否在实验中实现？
• RQ3 在奇异点附近，非绝热动力学在决定量子态演化中起什么作用？
• RQ4 量子态的手性响应如何依赖于环绕奇异点的方向与速度？
• RQ5 在具有工程化非厄米性的费米子系统中，能否观测到拓扑鲁棒的手性自旋转移？

主要发现

• 当损失率γ↓达到临界值10 Er时，系统在奇异点（EP）处出现宇称-时间（PT）对称性破缺相变，能隙闭合。
• 当在10.1 ms内以逆时针方向环绕EP时，初始|↓⟩态主要转移至|↑⟩态，转换效率C ≫ 0，表明存在手性态演化。
• 顺时针环绕时，自旋转移效率降至C = 0，证实非绝热响应具有手性特征。
• 当EP远离环绕环路时（例如γ↓^max = 2 Er），手性行为消失，证实其对EP接近度的依赖性。
• 数值模拟表明，更慢的环绕（更长的T）可增强非绝热跃迁，并降低手性转移的阈值，与实验观测一致。
• 系统的动力学由2×2非厄米有效哈密顿量良好描述，由于空穴激发在费米能标时间尺度内快速弛豫，量子跃迁效应可忽略。