Signature d'une transition de phase ponctuelle exceptionnelle dans les systèmes hermitiens

Signature d'une transition de phase ponctuelle exceptionnelle dans les systèmes hermitiens

Horodatage: 17 avril 2023 9:13

TT Sergueïev1,2,3, AA Zyablovsky1,2,3,4, ES Andrianov1,2,3, et Yu. E.Lozovik5,6

1Dukhov Research Institute of Automatics, 127055, 22 Sushchevskaya, Moscou Russie
2Institut de physique et de technologie de Moscou, 141700, 9 Institutskiy pereulok, Dolgoprudny région de Moscou, Russie
3Institut d'électromagnétisme théorique et appliqué, 125412, 13 Izhorskaya, Moscou Russie
4Institut Kotelnikov de radioingénierie et d'électronique RAS, 125009, 11-7 Mokhovaya, Moscou Russie
5Institut de spectroscopie Académie des sciences de Russie, 108840, 5 Fizicheskaya, Troitsk, Moscou, Russie
6MIEM à l'École supérieure d'économie de l'Université nationale de recherche, 101000, 20 Myasnitskaya, Moscou, Russie

Vous trouvez cet article intéressant ou souhaitez en discuter? Scite ou laisse un commentaire sur SciRate.

Abstract

Le point exceptionnel (EP) est une singularité spectrale dans les systèmes non hermitiens. Le passage au-dessus de l'EP conduit à une transition de phase, qui confère au système des caractéristiques non conventionnelles qui trouvent un large éventail d'applications. Cependant, la nécessité d'utiliser la dissipation et l'amplification limite les applications possibles des systèmes avec l'EP. Dans ce travail, nous démontrons l'existence d'une signature de transition de phase ponctuelle exceptionnelle dans les systèmes hermitiens exempts de dissipation et d'amplification. Nous considérons un système hermitien composite comprenant à la fois deux oscillateurs couplés et leur environnement constitué uniquement de plusieurs dizaines de degrés de liberté. Nous montrons que la dynamique d'un tel système hermitien démontre une transition, qui se produit à la force de couplage entre les oscillateurs correspondant à l'EP dans le système non hermitien. Cette transition se manifeste même dans le régime non markovien de la dynamique du système dans lequel se produisent des effondrements et des relances de l'énergie. Ainsi, nous démontrons que la transition de phase qui se produit au passage de l'EP dans le système non-hermitien se manifeste dans le système hermitien à tout moment. Nous discutons du schéma expérimental pour observer la signature de la transition de phase EP dans le régime non-markovien.

Signature d'une transition de phase ponctuelle exceptionnelle dans les systèmes hermitiens PlatoBlockchain Data Intelligence. Recherche verticale. Aï.

🇫🇷 Quantum condamne fermement l'invasion de l'Ukraine en 2022, les pertes en vies humaines et les crimes de guerre infligés par les forces russes. Pour plus d'informations sur notre politique de publication d'articles d'auteurs basés dans des institutions russes, voir ce post. 

Résumé populaire

Une interaction du système avec un environnement provoque un échange d'énergie entre eux. Parfois plus petit que le temps de retour de Poincaré, l'échange d'énergie conduit à des processus de relaxation dans le système. Parfois inférieurs au temps de retour, les systèmes interagissant avec l'environnement sont souvent considérés comme non hermitiens. Les états propres des systèmes non hermitiens ne sont pas mutuellement orthogonaux. Le point dans l'espace des paramètres du système, auquel certains des états propres fusionnent et leurs valeurs propres coïncident est appelé un point exceptionnel (EP) du système non hermitien. Le passage sur l'EP s'accompagne de changements qualitatifs dans les états propres, ce que l'on appelle une transition de phase EP. À des moments plus longs que le temps de retour, la dynamique du système démontre des effondrements et des relances, qui sont dus à la taille finie de l'environnement. Dans ce cas, la considération non hermitienne n'est pas adaptée et une existence des transitions de phase EP précoce ne se discute pas.
Nous démontrons l'existence d'une signature de la transition de phase EP à des instants supérieurs au temps de retour de Poincaré. On considère un système hermitien incluant un environnement constitué de seulement quelques dizaines de degrés de liberté. Nous montrons que la dynamique d'un tel système hermitien démontre une signature de la transition de phase EP à des instants à la fois plus petits et plus grands que le temps de retour. Cette transition se produit au niveau des paramètres système correspondant à l'EP dans le système non hermitien. Nous introduisons un paramètre d'ordre qui caractérise la transition de phase EP dans les systèmes hermitiens et non hermitiens. Nous proposons un schéma expérimental pour observer la signature de la transition de phase EP dans le système hermitien à un temps supérieur au temps de retour. Nos résultats étendent le concept de la transition de phase EP aux systèmes hermitiens.

► Données BibTeX

► Références

CM Bender, S. Boettcher. Spectres réels dans les hamiltoniens non hermitiens ayant une symétrie PT, Phys. Rév. Lett. 80(24), 5243 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.80.5243

N. Moiseyev. Mécanique quantique non hermitienne, Cambridge University Press (2011).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976186

A. Mostafazadeh. Pseudo-hermiticité versus symétrie PT : la condition nécessaire à la réalité du spectre d'un hamiltonien non hermitien, J. Math. Phys. 43(1), 205-214 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.1418246

MA Miri, A. Alu. Points exceptionnels en optique et photonique, Science 363, 6422 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.aar7709

SK Ozdemir, S. Rotter, F. Nori, L. Yang. Symétrie parité-temps et points exceptionnels en photonique, Nature Mater. 18, 783 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41563-019-0304-9

MV Berry. Physique des dégénérescences non hermitiennes, tchèque. J.Phys. 54, 1039 (2004).
https://​/​doi.org/​10.1023/​B:CJOP.0000044002.05657.04

CM Bender. Donner un sens aux hamiltoniens non hermitiens, Rep. Prog. Phys. 70, 947 (2007).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​70/​6/​R03

WD Heiss. La physique des points exceptionnels, J. Phys. A 45, 444016 (2012).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​45/​44/​444016

BB Wei, L. Jin. Comportements critiques universels dans les transitions de phase non hermitiennes, Sci. Rep. 7, 7165 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41598-017-07344-z

FE Öztürk, T. Lappe, G. Hellmann, et al. Observation d'une transition de phase non hermitienne dans un gaz quantique optique, Science 372(6537), 88-91 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.abe9869

TT Sergeev, AA Zyablovsky, ES Andrianov, et al. Un nouveau type de transition de phase non hermitienne dans les systèmes ouverts loin de l'équilibre thermique, Sci. Rep. 11, 24054 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-021-03389-3

AA Zyablovsky, AP Vinogradov, AA Poukhov, AV Dorofeenko, AA Lisyansky. PT-symétrie en optique, Phys. Usp. 57, 1063-1082 (2014).
https://​/​doi.org/​10.3367/​UFNe.0184.201411b.1177

R. El-Ganainy, KG Makris, M. Khajavikhan, et al. Physique non hermitienne et symétrie PT, Nat. Phys. 14(1), 11-19 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys4323

S. Longhi. La symétrie en temps de parité rencontre la photonique : une nouvelle tournure dans l'optique non hermitienne, Europhys. Lett. 120, 64001 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1209/​0295-5075/​120/​64001

JB Khurgin. Points exceptionnels dans les cavités polaritoniques et les lasers Fabry-Perot sous le seuil, Optica 7(8), 1015-1023 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.397378

AA Zyablovsky, IV Doronin, ES Andrianov, AA Pukhov, YE Lozovik, AP Vinogradov, AA Lisyansky. Points exceptionnels comme seuils de laser, Laser Photonics Rev. 15, 2000450 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1002 / lpor.202000450

T. Gao, E. Estrecho, KY Bliokh, et al. Observation de dégénérescences non hermitiennes dans un billard chaotique exciton-polariton, Nature 526, 554 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature15522

D. Zhang, XQ Luo, YP Wang, TF Li, JQ You. Observation du point exceptionnel dans la cavité magnon-polaritons, Nat. Commun. 8, 1368 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-017-01634-w

GQ Zhang, JQ Vous. Point exceptionnel d'ordre supérieur dans un système magnonique en cavité, Phys. Rév. B 99(5), 054404 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.99.054404

H. Xu, D. Mason, L. Jiang, JGE Harris.Transfert d'énergie topologique dans un système optomécanique à pointes exceptionnelles, Nature 537(7618), 80-83 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature18604

J. Zhang, B. Peng, Ş. K. Özdemir, et al. Un laser à phonons opérant en un point exceptionnel, Nature Photon. 12(8), 479-484 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41566-018-0213-5

YX Wang, greffier des AA. Dynamique non hermitienne sans dissipation dans les systèmes quantiques, Phys. Rév. A 99(6), 063834 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.063834

IV Doronin, AA Zyablovsky, ES Andrianov, AA Poukhov, AP Vinogradov. Laser sans inversion dû à l'instabilité paramétrique du laser près du point exceptionnel, Phys. Rév. A 100, 021801(R) (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.021801

Y.-H. Lai, Y.-K. Lu, M.-G. Suh, Z. Yuan, K. Vahala. Observation de l'effet Sagnac à points exceptionnels, Nature 576, 65 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-019-1777-z

H. Hodaei, AU Hassan, S. Wittek, H. Garcia-Gracia, R. El-Ganainy, DN Christodoulides, M. Khajavikhan. Sensibilité accrue aux points exceptionnels d'ordre supérieur, Nature 548, 187 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23280

W. Chen, SK Ozdemir, G. Zhao, J. Wiersig, L. Yang. Des points exceptionnels améliorent la détection dans une microcavité optique, Nature 548, 192 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23281

J.Wiersig. Amélioration de la sensibilité de la détection de fractionnement de fréquence et d'énergie en utilisant des points exceptionnels : application aux capteurs à microcavité pour la détection de particules uniques, Phys. Rév. Lett. 112, 203901 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.112.203901

ZP Liu, J. Zhang, Ş. K. Özdemir, et al. Métrologie avec cavités symétriques PT : sensibilité accrue près de la transition de phase PT, Phys. Rév. Lett. 117, 110802 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.110802

AA Zyablovsky, ES Andrianov, AA Poukhov. Instabilité paramétrique des systèmes optiques non hermitiens près du point exceptionnel, Sci. Rep. 6, 29709 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / srep29709

S. Longhi. Oscillations de Bloch dans les cristaux complexes avec symétrie PT, Phys. Rév. Lett. 103(12), 123601 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.123601

Z. Lin, H. Ramezani, T. Eichelkraut, T. Kottos, H. Cao, DN Christodoulides. Invisibilité unidirectionnelle induite par des structures périodiques symétriques PT, Phys. Rév. Lett. 106(21), 213901 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.213901

KG Makris, R. El-Ganainy, DN Christodoulides, ZH Musslimani. Dynamique des faisceaux dans les réseaux optiques symétriques PT, Phys. Rév. Lett. 100(10), 103904 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.100.103904

SV Suchkov, AA Sukhorukov, J. Huang, SV Dmitriev, C. Lee, YS Kivshar. Commutation non linéaire et solitons dans les systèmes photoniques symétriques PT, Laser Photonics Rev. 10(2), 177-213 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1002 / lpor.201500227

CE Rüter, KG Makris, R. El-Ganainy, DN Christodoulides, M. Segev, D. Kip. Observation de la symétrie parité-temps en optique, Nat. Phys. 6(3), 192-195 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys1515

A. Guo, GJ Salamo, D. Duchesne, et al. Observation de la brisure de la symétrie PT dans les potentiels optiques complexes, Phys. Rév. Lett. 103(8), 093902 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.093902

H. Hodaei, M.-A. Miri, M. Heinrich, DN Christodoulidies, M. Khajavikan. Lasers à micro-anneaux symétriques en temps de parité, Science 346, 975 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1258480

L. Feng, ZJ Wong, R.-M. Ma, Y. Wang, X. Zhang. Laser monomode par rupture de symétrie en temps de parité, Science 346, 972 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1258479

B. Peng, Ş. K. Özdemir, M. Liertzer, et al. Modes chiraux et laser directionnel à des points exceptionnels, Proc. Natl. Acad. Sci. 113(25), 6845-6850 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1603318113

M. Liertzer, L. Ge, A. Cerjan, AD Stone, HE Türeci, S. Rotter. Points exceptionnels induits par la pompe dans les lasers, Phys. Rév. Lett. 108(17), 173901 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.173901

IV Doronin, AA Zyablovsky, ES Andrianov. Formation assistée par couplage fort d'un rayonnement cohérent en dessous du seuil d'effet laser, Opt. Express 29, 5624 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.417354

J.Wiersig. Perspectives et limites fondamentales de la détection ponctuelle exceptionnelle, Nat. Commun. 11, 2454 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-020-16373-8

J.Wiersig. Examen de capteurs ponctuels exceptionnels, Photonics Res. 8, 1457-1467 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / PRJ.396115

H. Wang, YH Lai, Z. Yuan, MG Suh, K. Vahala. Limite de sensibilité du facteur de Petermann près d'un point exceptionnel dans un gyroscope laser à anneau de Brillouin, Nat. Commun. 11, 1610 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-020-15341-6

W.Langbein. Pas de précision exceptionnelle de capteurs à points exceptionnels, Phys. Rév. A 98(2), 023805 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.023805

M. Zhang, W. Sweeney, CW Hsu, L. Yang, AD Stone, L. Jiang. Théorie du bruit quantique des capteurs amplificateurs ponctuels exceptionnels, Phys. Rév. Lett. 123(18), 180501 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.180501

C. Chen, L. Zhao. L'effet du bruit induit par la chaleur sur un capteur de gyroscope optique à double couplage autour d'un point exceptionnel, Opt. Commun. 474, 126108 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.optcom.2020.126108

HK Lau, greffier AA. Limites fondamentales et approches non réciproques en détection quantique non hermitienne, Nature Commun. 9, 4320 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-018-06477-7

C. Wolff, C. Tserkezis, NA Mortensen. Sur l'évolution du temps à un point exceptionnel fluctuant, Nanophotonics 8(8), 1319-1326 (2019).
https://​/​doi.org/​10.1515/​nanoph-2019-0036

R. Duggan, SA Mann, A. Alu. Limitations de la détection à un point exceptionnel, ACS Photonic 9(5), 1554-1566 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1021/​acsphotonics.1c01535

H.-P. Breuer, E.-M. Laine, J. Piilo, B. Vacchini. Colloque : Dynamique non-markovienne dans les systèmes quantiques ouverts, Rev. Mod. Phys. 88, 021002 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.88.021002

I. de Vega, D. Alonso. Dynamique des systèmes quantiques ouverts non Markoviens, Rev. Mod. Phys. 89, 015001 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.89.015001

MO Scully, MS Zubairy. Optique quantique, Cambridge University Press : Cambridge (1997).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511813993

H. Carmichael. Une approche de systèmes ouverts à l'optique quantique, Springer-Verlag, Berlin (1991).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-540-47620-7

CW Gardiner, P. Zoller. Bruit quantique: Un manuel de méthodes stochastiques quantiques Markoviennes et non Markoviennes avec des applications à l'optique quantique, Springer-Verlag, Berlin (2004).
https://​/​link.springer.com/​book/​9783540223016

TT Sergeev, IV Vovchenko, AA Zyablovsky, ES Andrianov. Régime de couplage fort assisté par l'environnement, Quantum 6, 684 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-04-13-684

A. Mostafazadeh. Pseudo-hermiticité versus symétrie PT : la condition nécessaire à la réalité du spectre d'un hamiltonien non hermitien, J. Math. Phys. 43(1), 205-214 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.1418246

LD Landau, LE Lifshitz. Physique statistique : Volume 5, Elsevier (1980).
https:/​/​www.elsevier.com/​books/​course-of-theoretical-physics/​landau/​978-0-08-023038-2

Y. Akahane, T. Asano, B.-S. Chanson, S. Noda. Nanocavité photonique à Q élevé dans un cristal photonique bidimensionnel, Nature 425, 944 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature02063

DK Armani, TJ Kippenberg, SM Spillane, KJ Vahala. Microcavité toroïdale à Q ultra élevé sur puce, Nature 421, 925 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature01371

Y. Akahane, T. Asano, B.-S. Chanson, S. Noda. Nanocavité à cristaux photoniques à Q élevé finement réglée, Opt. Express 13(4), 1202 (2005).
https://​/​doi.org/​10.1364/​OPEX.13.001202

T. Tanabe, M. Notomi, E. Kuramochi, A. Shinya, H. Taniyama. Piéger et retarder les photons pendant une nanoseconde dans une nanocavité à cristaux photoniques ultrapetite à Q élevé, Nature Photon. 1, 49 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2006.51

X.-F. Jiang, C.-L. Zou, L. Wang, Q. Gong, Y.-F. Xiao. Microcavités à galerie de murmures avec émission laser unidirectionnelle, Laser Photonics Rev. 10(1), 40-61 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1002 / lpor.201500163

RJ Schoelkopf, SM Gir. Câblage des systèmes quantiques, Nature 451, 664 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1038 / 451664a

AF van Loo, A. Fedorov, K. Lalumière, BC Sanders, A. Blais, A. Wallraff. Interactions à médiation photonique entre atomes artificiels distants, Science 342, 1494 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1244324

G. Andersson, B. Suri, L. Guo, T. Aref, P. Delsing. Désintégration non exponentielle d'un atome artificiel géant, Nat. Physique 15, 1123-1127 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-019-0605-6

NM Sundaresan, R. Lundgren, G. Zhu, AV Gorshkov, AA Houck. Interaction des états liés qubit-photon avec des circuits supraconducteurs, Phys. Rév. X 9, 011021 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.9.011021

K. Lalumière, BC Sanders, AF van Loo, A. Fedorov, A. Wallraff, A. Blais. Théorie des entrées-sorties pour guide d'onde QED avec un ensemble d'atomes inhomogènes, Phys. Rév. A 88, 043806 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.88.043806

D. Vion, A. Aassime, A. Cottet, et al. Manipulation de l'état quantique d'un circuit électrique, Science 296, 886 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1069372

J. Koch, TM Yu, J. Gambetta, et al. Conception de qubit insensible à la charge dérivée de la boîte à paires Cooper, Phys. Rév. A 76, 042319 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.76.042319

VS Ferreira, J. Banker, A. Sipahigil, et al. Effondrement et renaissance d'un atome artificiel couplé à un réservoir photonique structuré, Phys. Rév. X 11(4), 041043 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.041043

VI Tatarskii. Exemple de description des processus dissipatifs en termes d'équations dynamiques réversibles et quelques commentaires sur le théorème fluctuation-dissipation, Sov. Phys. Usp. 30(2), 134 (1987).
https:/​/​doi.org/​10.1070/​PU1987v030n02ABEH002811

Cité par

[1] Bijan Bagchi et Sauvik Sen, "Rayonnement artificiel de Hawking, pseudo-hermiticité faible et analogie du trou noir semi-métallique de Weyl", Journal de physique mathématique 63 12, 122102 (2022).

[2] Artem Mukhamedyanov, Alexander A. Zyablovsky et Evgeny S. Andrianov, "Génération de phonons sous-seuil dans un système optomécanique avec un point exceptionnel", Lettres optiques 48 7, 1822 (2023).

Les citations ci-dessus proviennent de SAO / NASA ADS (dernière mise à jour réussie 2023-04-17 13:16:05). La liste peut être incomplète car tous les éditeurs ne fournissent pas de données de citation appropriées et complètes.

Impossible de récupérer Données de référence croisée lors de la dernière tentative 2023-04-17 13:15:54: Impossible de récupérer les données citées par 10.22331 / q-2023-04-17-982 de Crossref. C'est normal si le DOI a été enregistré récemment.

Cet article est publié dans Quantum sous le Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) Licence. Le droit d'auteur reste la propriété des détenteurs d'origine tels que les auteurs ou leurs institutions.

Horodatage:

Plus de Journal quantique