[论文解读] Extended-localized transition in diffusive quasicrystals

Zhoufei Liu, Cao, Pei-Chao+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2022

Quasicrystal Structures and Properties参考文献 3被引用 5

一句话总结

该论文首次通过耦合环链结构实现了扩散准晶，展示了在一维安布里-安德烈-哈珀（AAH）模型中存在扩展态到局域态的相变。通过调节热导率和环速，系统展现出非厄米物理特性，揭示了温度场中一种新型双局域化中心现象，从而实现了一种新型非厄米集成双迹分布式发电机，可用于灵活的双目标电能发电。

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.

研究动机与目标

• 在尽管在量子系统和波系统中已取得进展，但尚未被探索的耗散系统中实现准晶序。
• 通过耦合环链结构，在热扩散系统中展示一维扩展态到局域态的相变。
• 研究安德森局域化与耗散准晶中非厄米物理之间的相互作用。
• 识别并利用温度场中的双局域化中心现象，用于新型热电器件应用。
• 提出一种非厄米集成双迹分布式发电机，用于灵活的分布式电能发电。

提出的方法

• 通过可调热导率和环速的耦合环链结构，构建一维耗散AAH模型。
• 基于傅里叶定律和平面波近似，从热传导方程推导出有效非厄米哈密顿量。
• 通过调节热导率和对流项，实现非厄米皮肤效应和反宇称-时间（APT）对称AAH模型。
• 通过有限元模拟追踪温度场演化并识别局域化行为。
• 利用APT对称性条件区分系统的未破缺（扩展）相与破缺（局域）相。
• 通过在双局域化中心位置放置热电材料，提出一种分布式发电机，实现双目标电能采集。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在固有耗散，能否在耗散系统中实现准晶序？
• RQ2 在具有非公度调制的热扩散系统中，是否存在从扩展态到局域态的相变？
• RQ3 非厄米物理（如皮肤效应和APT对称性）如何影响耗散准晶中的局域化？
• RQ4 在安德森局域化态的温度场中观察到的双局域化中心现象的起源与意义是什么？
• RQ5 能否将双局域化中心现象用于实际的热能采集应用？

主要发现

• 通过调节环结构和层间参数，耗散AAH模型成功实现了具有明显扩展态和局域态的准周期系统。
• 有限元模拟证实了耗散AAH模型中存在从扩展态到局域态的相变。
• 在所有三种模型（标准、非互易、APT对称）中，安德森局域化态的温度场中均出现一种新型双局域化中心现象。
• 该双局域化中心现象在量子系统和经典波系统中均不存在，表明其为耗散准晶的独有特征。
• APT未破缺相表现出均匀且静止的温度场，而APT破缺相则在第10个环处表现出强烈的局域化，且温度分布呈移动特征。
• 通过APT对称性和安德森局域化，可任意设计双局域化中心，从而灵活布置热电材料，实现双目标电能发电。