[论文解读] Observation of non-Hermitian many-body skin effects in Hilbert space

Weixuan Zhang, Fengxiao Di+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2021

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics参考文献 39被引用 6

一句话总结

本研究通过三维电路平台模拟三个关联玻色子，在希尔伯特空间中实验演示了非厄米多体皮肤效应。通过将多体本征态映射到电路模式并测量空间阻抗响应，作者观察到由相互作用诱导的、局域于希尔伯特空间有效边界上的皮肤态，这是在关联非厄米系统中首次实现此类现象的实验验证。

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.

研究动机与目标

• 探索非厄米性与多体关联之间的相互作用，这是凝聚态物理中一个尚未充分探索的领域。
• 实验实现并验证因复杂性而长期停留在理论层面的非厄米多体相。
• 展示一种新型皮肤效应，其中具有非相同占据数的玻色子集团向希尔伯特空间中的有效边界聚集。
• 建立一个灵活的实验平台，用于探测非厄米关联量子物态的奇异行为。

提出的方法

• 研究人员将周期性晶格中三个相互作用玻色子的本征态映射到设计的三维电路网络的模式上。
• 该电路被设计用于模拟具有可调增益与损耗的非厄米多体系统的哈密顿量。
• 通过测量电路中的空间阻抗响应，探测本征态在希尔伯特空间中的局域性质。
• 对实验数据进行分析，以识别皮肤态的特征，包括本征态分布的非均匀性以及在有效边界上的局域化。
• 通过电路设计中的非对称耦合及增益/损耗元件引入系统的非厄米特性。
• 对电路有效哈密顿量的理论建模证实了非厄米皮肤效应在多体希尔伯特空间中的出现。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在关联量子系统中实验观测到非厄米多体皮肤效应？
• RQ2 多体相互作用如何改变希尔伯特空间中非厄米皮肤态的结构与局域化特性？
• RQ3 希尔伯特空间结构在实现非厄米系统有效边界局域化中起到何种作用？
• RQ4 电路平台能否准确模拟并揭示非厄米多体现象？
• RQ5 哪些可观测特征可将相互作用诱导的非厄米皮肤效应与单体类比效应区分开来？

主要发现

• 实验成功观测到一种新型非厄米多体皮肤效应，其中具有非相同占据数的玻色子集团在希尔伯特空间的有效边界处聚集。
• 电路的空间阻抗响应揭示了本征态的强局域化，证实了多体希尔伯特空间中皮肤效应的存在。
• 所观测到的皮肤效应由多体相互作用驱动，与单体非厄米皮肤效应有本质区别。
• 实验数据与关联系统中非厄米局域化的理论预测高度吻合，验证了基于电路的模拟方法。
• 结果表明，即使在无真实空间边界的情况下，希尔伯特空间也能为非厄米动力学提供有效边界。
• 该平台可实现复杂非厄米多体相的可扩展模拟，为实验探索开辟了新途径。