Semnătura tranziției de fază punctuală excepțională în sistemele hermitiene

Semnătura tranziției de fază punctuală excepțională în sistemele hermitiene

Marca temporală: 17 aprilie 2023 9:13

TT Sergheev1,2,3, AA Zyabovsky1,2,3,4, ES Andrianov1,2,3, și Yu. E. Lozovik5,6

1Institutul de Cercetare de Automatică Duhov, 127055, 22 Sushchevskaya, Moscova Rusia
2Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova, 141700, 9 Institutskiy pereulok, regiunea Dolgoprudny Moscova, Rusia
3Institutul de Electromagnetică Teoretică și Aplicată, 125412, 13 Izhorskaya, Moscova Rusia
4Institutul Kotelnikov de Radioinginerie și Electronică RAS, 125009, 11-7 Mokhovaya, Moscova Rusia
5Institutul de Spectroscopie Academia Rusă de Științe, 108840, 5 Fizicheskaya, Troitsk, Moscova, Rusia
6MIEM la Universitatea Națională de Cercetare, Școala Superioară de Economie, 101000, 20 Myasnitskaya, Moscova, Rusia

Găsiți această lucrare interesant sau doriți să discutați? Scite sau lasă un comentariu la SciRate.

Abstract

Punctul excepțional (EP) este o singularitate spectrală în sistemele non-hermitiene. Trecerea peste EP duce la o tranziție de fază, care dotează sistemul cu caracteristici neconvenționale care găsesc o gamă largă de aplicații. Totuși, necesitatea utilizării disipării și amplificării limitează posibilele aplicații ale sistemelor cu EP. În această lucrare, demonstrăm existența semnăturii de tranziție de fază punctuală excepțională în sistemele hermitiene care sunt lipsite de disipare și amplificare. Considerăm un sistem Hermitian compozit care include atât două oscilatoare cuplate, cât și mediul lor constând doar din câteva zeci de grade de libertate. Arătăm că dinamica unui astfel de sistem hermitian demonstrează o tranziție, care are loc la puterea de cuplare între oscilatoarele corespunzătoare EP în sistemul non-hermitian. Această tranziție se manifestă chiar și în regimul non-markovian al dinamicii sistemului în care au loc colapsuri și revigorări ale energiei. Astfel, demonstrăm că tranziția de fază care are loc la trecerea peste EP în sistemul non-hermitian se manifestă în sistemul hermitian în orice moment. Discutăm schema experimentală de observare a semnăturii tranziției de fază EP în regimul non-Markovian.

Semnătura tranziției de fază punctuală excepțională în sistemele hermitiene PlatoBlockchain Data Intelligence. Căutare verticală. Ai.

🇺🇦 Quantum condamnă cu fermitate invazia Ucrainei din 2022, pierderile de vieți omenești și crimele de război comise de forțele ruse. Pentru mai multe informații despre politica noastră privind publicarea articolelor de către autori cu sediul în instituții ruse, vezi aceasta postare. 

Rezumat popular

O interacțiune a sistemului cu un mediu determină un schimb de energie între ele. Uneori mai mic decât timpul de întoarcere Poincare, schimbul de energie duce la procese de relaxare în sistem. Uneori mai puțin decât timpul de întoarcere, sistemele care interacționează cu mediul sunt adesea considerate ca non-hermitiene. Stările proprii ale sistemelor non-hermitiene nu sunt reciproc ortogonale. Punctul din spațiul parametrilor sistemului, în care unele dintre stările proprii se unesc și valorile lor proprii coincid, este numit punct excepțional (EP) al sistemului non-hermitian. Trecerea peste PE este însoțită de schimbări calitative în stările proprii, care este denumită tranziție de fază a PE. Uneori, timpul de revenire este mai mare, dinamica sistemului demonstrează colapsuri și revigorări, care se datorează dimensiunii finite a mediului. În acest caz, considerația non-hermitiană nu este potrivită și existența tranzițiilor de fază EP timpurie nu este discutată.
Demonstrăm existența unei semnături a tranziției fazei PE uneori mai mare decât timpul de întoarcere Poincare. Considerăm un sistem hermitian care include mediul constând doar din câteva zeci de grade de libertate. Arătăm că dinamica unui astfel de sistem hermitian demonstrează o semnătură a tranziției de fază EP uneori mai mici și mai mari decât timpul de întoarcere. Această tranziție are loc la parametrii de sistem corespunzători PE în sistemul non-hermitian. Introducem un parametru de ordine care caracterizează tranziția de fază EP atât în ​​sistemul hermitian, cât și în cel non-hermitian. Propunem o schemă experimentală pentru a observa semnătura tranziției de fază EP în sistemul Hermitian la un timp mai mare decât timpul de întoarcere. Rezultatele noastre extind conceptul de tranziție a fazei EP la sistemele hermitiene.

► Date BibTeX

► Referințe

[1] CM Bender, S. Boettcher. Spectre reale la hamiltonieni non-hermitieni având simetrie PT, Phys. Rev. Lett. 80(24), 5243 (1998).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.80.5243

[2] N. Moiseev. Mecanica cuantică non-hermitiană, Cambridge University Press (2011).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511976186

[3] A. Mostafazadeh. Pseudo-Hermititate versus simetrie PT: condiția necesară pentru realitatea spectrului unui Hamiltonian non-Hermitian, J. Math. Fiz. 43(1), 205-214 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.1418246

[4] MA Miri, A. Alu. Puncte excepționale în optică și fotonică, Science 363, 6422 (2019).
https://​/​doi.org/​10.1126/​science.aar7709

[5] SK Ozdemir, S. Rotter, F. Nori, L. Yang. Simetria paritate-timp și puncte excepționale în fotonică, Nature Mater. 18, 783 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41563-019-0304-9

[6] MV Berry. Fizica degenereștilor neermitiene, Cehă. J. Fiz. 54, 1039 (2004).
https://​/​doi.org/​10.1023/​B:CJOP.0000044002.05657.04

[7] CM Bender. Înțelegerea hamiltonienilor non-ermitieni, Rep. Prog. Fiz. 70, 947 (2007).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​0034-4885/​70/​6/​R03

[8] WD Heiss. Fizica punctelor excepționale, J. Phys. A 45, 444016 (2012).
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1751-8113/​45/​44/​444016

[9] BB Wei, L. Jin. Comportamente critice universale în tranzițiile de fază non-hermitiene, Sci. Rep. 7, 7165 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41598-017-07344-z

[10] FE Öztürk, T. Lappe, G. Hellmann, et al. Observarea unei tranziții de fază non-Hermitian într-un gaz cuantic optic, Science 372(6537), 88-91 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.abe9869

[11] TT Sergeev, AA Zyabovsky, ES Andrianov și colab. Un nou tip de tranziție de fază non-hermitiană în sisteme deschise departe de echilibrul termic, Sci. Rep. 11, 24054 (2021).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41598-021-03389-3

[12] AA Zyabovsky, AP Vinogradov, AA Pukhov, AV Dorofeenko, AA Lisyansky. PT-simetrie în optică, Phys. Usp. 57, 1063-1082 (2014).
https://​/​doi.org/​10.3367/​UFNe.0184.201411b.1177

[13] R. El-Ganainy, KG Makris, M. Khajavikhan, et al. Fizica non-hermitiană și simetria PT, Nat. Fiz. 14(1), 11-19 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys4323

[14] S. Longhi. Simetria paritate-timp se întâlnește cu fotonica: o nouă răsturnare în optica non-hermitiană, Europhys. Lett. 120, 64001 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1209/​0295-5075/​120/​64001

[15] JB Khurgin. Puncte excepționale în cavitățile polaritonice și laserele Fabry-Perot subprag, Optica 7(8), 1015-1023 (2020).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OPTICA.397378

[16] AA Zyabovsky, IV Doronin, ES Andrianov, AA Pukhov, YE Lozovik, AP Vinogradov, AA Lisyansky. Puncte excepționale ca prepragurile laserului, Laser Photonics Rev. 15, 2000450 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1002 / lpor.202000450

[17] T. Gao, E. Estrecho, KY Bliokh, et al. Observarea degenerațiilor non-hermitiene într-un biliard haotic exciton-polariton, Nature 526, 554 (2015).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature15522

[18] D. Zhang, XQ Luo, YP Wang, TF Li, JQ You. Observarea punctului excepțional în cavitate magnon-polaritons, Nat. comun. 8, 1368 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41467-017-01634-w

[19] GQ Zhang, JQ Tu. Punct excepțional de ordin superior într-un sistem magnonic cu cavitate, Phys. Rev. B 99(5), 054404 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.99.054404

[20] H. Xu, D. Mason, L. Jiang, JGE Harris.Topological energy transfer in an optomechanical system with exceptional points, Nature 537(7618), 80-83 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature18604

[21] J. Zhang, B. Peng, Ş. K. Özdemir, și colab. Un laser fonon care funcționează într-un punct excepțional, Nature Photon. 12(8), 479-484 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41566-018-0213-5

[22] YX Wang, grefier AA. Dinamica non-hermitiană fără disipare în sisteme cuantice, Phys. Rev. A 99(6), 063834 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.99.063834

[23] IV Doronin, AA Zyablovski, ES Andrianov, AA Puhov, AP Vinogradov. Lasare fără inversare din cauza instabilității parametrice a laserului în apropierea punctului excepțional, Phys. Rev. A 100, 021801(R) (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.100.021801

[24] Y.-H. Lai, Y.-K. Lu, M.-G. Suh, Z. Yuan, K. Vahala. Observarea efectului Sagnac cu un punct excepțional, Nature 576, 65 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-019-1777-z

[25] H. Hodaei, AU Hassan, S. Wittek, H. Garcia-Gracia, R. El-Ganainy, DN Christodoulides, M. Khajavikhan. Sensibilitate îmbunătățită la punctele excepționale de ordin superior, Nature 548, 187 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23280

[26] W. Chen, SK Ozdemir, G. Zhao, J. Wiersig, L. Yang. Punctele excepționale îmbunătățesc percepția într-o microcavitate optică, Nature 548, 192 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23281

[27] J. Wiersig. Îmbunătățirea sensibilității detectării divizării frecvenței și energiei prin utilizarea punctelor excepționale: aplicarea la senzori de microcavități pentru detectarea unei singure particule, Phys. Rev. Lett. 112, 203901 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.112.203901

[28] ZP Liu, J. Zhang, Ş. K. Özdemir, și colab. Metrologie cu cavități PT-simetrice: sensibilitate îmbunătățită în apropierea tranziției de fază PT, Phys. Rev. Lett. 117, 110802 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.110802

[29] AA Zyabovsky, ES Andrianov, AA Pukhov. Instabilitatea parametrică a sistemelor optice non-hermitiene în apropierea punctului excepțional, Sci. Rep. 6, 29709 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1038 / srep29709

[30] S. Longhi. Oscilații Bloch în cristale complexe cu simetrie PT, Phys. Rev. Lett. 103(12), 123601 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.123601

[31] Z. Lin, H. Ramezani, T. Eichelkraut, T. Kottos, H. Cao, DN Christodoulides. Invizibilitate unidirecțională indusă de structuri periodice PT-simetrice, Phys. Rev. Lett. 106(21), 213901 (2011).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.106.213901

[32] KG Makris, R. El-Ganainy, DN Christodoulides, ZH Musslimani. Dinamica fasciculului în rețele optice simetrice PT, Fiz. Rev. Lett. 100(10), 103904 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.100.103904

[33] SV Suchkov, AA Sukhorukov, J. Huang, SV Dmitriev, C. Lee, YS Kivshar. Comutare neliniară și solitoni în sisteme fotonice PT-symmetric, Laser Photonics Rev. 10(2), 177-213 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1002 / lpor.201500227

[34] CE Rüter, KG Makris, R. El-Ganainy, DN Christodoulides, M. Segev, D. Kip. Observarea simetriei paritate-timp în optică, Nat. Fiz. 6(3), 192-195 (2010).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphys1515

[35] A. Guo, GJ Salamo, D. Duchesne, et al. Observarea ruperii simetriei PT în potențiale optice complexe, Phys. Rev. Lett. 103(8), 093902 (2009).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.103.093902

[36] H. Hodaei, M.-A. Miri, M. Heinrich, DN Christodoulidies, M. Khajavikan. Laser microring simetric paritate-timp, Science 346, 975 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1258480

[37] L. Feng, ZJ Wong, R.-M. Ma, Y. Wang, X. Zhang. Laser monomod prin ruperea simetriei paritate-timp, Science 346, 972 (2014).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1258479

[38] B. Peng, Ş. K. Özdemir, M. Liertzer, et al. Moduri chirale și laser direcțional în puncte excepționale, Proc. Natl. Acad. Sci. 113(25), 6845-6850 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1603318113

[39] M. Liertzer, L. Ge, A. Cerjan, AD Stone, HE Türeci, S. Rotter. Puncte excepționale induse de pompă în lasere, Phys. Rev. Lett. 108(17), 173901 (2012).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.108.173901

[40] IV Doronin, AA Zyablovski, ES Andrianov. Formarea asistată de cuplare puternică a radiațiilor coerente sub pragul laser, Opt. Express 29, 5624 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1364 / OE.417354

[41] J. Wiersig. Perspective și limite fundamentale în detecția excepțională bazată pe puncte, Nat. comun. 11, 2454 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-020-16373-8

[42] J. Wiersig. Revizuirea senzorilor excepționali bazați pe puncte, Photonics Res. 8, 1457-1467 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1364/​PRJ.396115

[43] H. Wang, YH Lai, Z. Yuan, MG Suh, K. Vahala. Limita de sensibilitate a factorului Petermann în apropierea unui punct excepțional într-un giroscop cu laser inel Brillouin, Nat. comun. 11, 1610 (2020).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-020-15341-6

[44] W. Langbein. Fără o precizie excepțională a senzorilor de punct excepțional, Phys. Rev. A 98(2), 023805 (2018).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.98.023805

[45] M. Zhang, W. Sweeney, CW Hsu, L. Yang, AD Stone, L. Jiang. Teoria zgomotului cuantic a senzorilor de amplificare punctuali excepționali, Phys. Rev. Lett. 123(18), 180501 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.123.180501

[46] C. Chen, L. Zhao. Efectul zgomotului indus termic asupra senzorului giroscop optic cu inel dublu cuplat în jurul unui punct excepțional, Opt. comun. 474, 126108 (2020).
https://​/​doi.org/​10.1016/​j.optcom.2020.126108

[47] HK Lau, grefier AA. Limite fundamentale și abordări non-reciproce în detectarea cuantică non-hermitiană, Nature Commun. 9, 4320 (2018).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-018-06477-7

[48] C. Wolff, C. Tserkezis, NA Mortensen. Despre evoluția timpului la un punct excepțional fluctuant, Nanophotonics 8(8), 1319-1326 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1515 / nanoph-2019-0036

[49] R. Duggan, SA Mann, A. Alu. Limitări ale detecției la un punct excepțional, ACS Photonic 9(5), 1554-1566 (2022).
https://​/​doi.org/​10.1021/​acsphotonics.1c01535

[50] H.-P. Breuer, E.-M. Laine, J. Piilo, B. Vacchini. Colocviu: Dinamica non-Markoviană în sisteme cuantice deschise, Rev. Mod. Fiz. 88, 021002 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.88.021002

[51] I. de Vega, D. Alonso. Dinamica sistemelor cuantice deschise non-Markovian, Rev. Mod. Fiz. 89, 015001 (2017).
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.89.015001

[52] MO Scully, MS Zubairy. Optica cuantică, Cambridge University Press: Cambridge (1997).
https: / / doi.org/ 10.1017 / CBO9780511813993

[53] H. Carmichael. O abordare a sistemelor deschise a opticii cuantice, Springer-Verlag, Berlin (1991).
https:/​/​doi.org/​10.1007/​978-3-540-47620-7

[54] CW Gardiner, P. Zoller. Zgomot cuantic: un manual al metodelor stochastice cuantice markoviane și non-markoviene cu aplicații la optica cuantică, Springer-Verlag, Berlin (2004).
https: / / link.springer.com/ book / 9783540223016

[55] TT Sergheev, IV Vovcenko, AA Zyablovski, ES Andrianov. Regim de cuplare puternic asistat de mediu, Quantum 6, 684 (2022).
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2022-04-13-684

[56] A. Mostafazadeh. Pseudo-Hermititate versus simetrie PT: Condiția necesară pentru realitatea spectrului unui Hamiltonian non-Hermitian, J. Math. Fiz. 43(1), 205-214 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.1418246

[57] LD Landau, LE Lifshitz. Fizica statistică: volumul 5, Elsevier (1980).
https:/​/​www.elsevier.com/​books/​course-of-theoretical-physics/​landau/​978-0-08-023038-2

[58] Y. Akahane, T. Asano, B.-S. Song, S. Noda. Nanocavitate fotonică High-Q într-un cristal fotonic bidimensional, Nature 425, 944 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature02063

[59] DK Armani, TJ Kippenberg, SM Spillane, KJ Vahala. Microcavitate toroidală ultra-high-Q pe un cip, Nature 421, 925 (2003).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature01371

[60] Y. Akahane, T. Asano, B.-S. Song, S. Noda. Nanocavitate de cristal fotonic reglat fin, opt. Express 13(4), 1202 (2005).
https://​/​doi.org/​10.1364/​OPEX.13.001202

[61] T. Tanabe, M. Notomi, E. Kuramochi, A. Shinya, H. Taniyama. Captarea și întârzierea fotonilor pentru o nanosecundă într-o nanocavitate ultramică de cristal fotonic cu Q mare, Nature Photon. 1, 49 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1038 / nphoton.2006.51

[62] X.-F. Jiang, C.-L. Zou, L. Wang, Q. Gong, Y.-F. Xiao. Microcavități-galerie de șoaptă cu emisie laser unidirecțională, Laser Photonics Rev. 10(1), 40-61 (2016).
https: / / doi.org/ 10.1002 / lpor.201500163

[63] RJ Schoelkopf, SM Gir. Wiring up quantum systems, Nature 451, 664 (2008).
https: / / doi.org/ 10.1038 / 451664a

[64] AF van Loo, A. Fedorov, K. Lalumière, BC Sanders, A. Blais, A. Wallraff. Interacțiuni mediate de fotoni între atomi artificiali îndepărtați, Science 342, 1494 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1244324

[65] G. Andersson, B. Suri, L. Guo, T. Aref, P. Delsing. Dezintegrarea non-exponențială a unui atom artificial gigant, Nat. Fizica 15, 1123-1127 (2019).
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-019-0605-6

[66] NM Sundaresan, R. Lundgren, G. Zhu, AV Gorshkov, AA Houck. Stări legate de qubit-foton care interacționează cu circuite supraconductoare, Phys. Rev. X 9, 011021 (2019).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.9.011021

[67] K. Lalumiere, BC Sanders, AF van Loo, A. Fedorov, A. Wallraff, A. Blais. Teoria de intrare-ieșire pentru ghidul de undă QED cu un ansamblu de atomi neomogeni, Phys. Rev. A 88, 043806 (2013).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.88.043806

[68] D. Vion, A. Aassime, A. Cottet, et al. Manipularea stării cuantice a unui circuit electric, Science 296, 886 (2002).
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1069372

[69] J. Koch, TM Yu, J. Gambetta, şi colab. Design qubit insensibil la încărcare derivat din cutia de perechi Cooper, Phys. Rev. A 76, 042319 (2007).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.76.042319

[70] VS Ferreira, J. Banker, A. Sipahigil, et al. Colapsul și renașterea unui atom artificial cuplat la un rezervor fotonic structurat, Phys. Rev. X 11(4), 041043 (2021).
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevX.11.041043

[71] VI Tatarskii. Exemplu de descriere a proceselor disipative în termeni de ecuații dinamice reversibile și câteva comentarii la teorema fluctuației-dissipare, Sov. Fiz. Usp. 30(2), 134 (1987).
https:/​/​doi.org/​10.1070/​PU1987v030n02ABEH002811

Citat de

[1] Bijan Bagchi și Sauvik Sen, „Artificial Hawking radiation, weak pseudo-Hermitity, and Weyl semimetal blackhole analogy”, Jurnal de fizică matematică 63 12, 122102 (2022).

[2] Artem Mukhamedyanov, Alexander A. Zyablovsky și Evgeny S. Andrianov, „Generația de fonon sub prag într-un sistem optomecanic cu un punct excepțional”, Optics Letters 48 7, 1822 (2023).

Citatele de mai sus sunt din ADS SAO / NASA (ultima actualizare cu succes 2023-04-17 13:16:05). Lista poate fi incompletă, deoarece nu toți editorii furnizează date de citare adecvate și complete.

Nu a putut să aducă Date citate încrucișate în ultima încercare 2023-04-17 13:15:54: Nu s-au putut prelua date citate pentru 10.22331 / q-2023-04-17-982 de la Crossref. Acest lucru este normal dacă DOI a fost înregistrat recent.

Acest Lucru este publicat în Quantum sub Creative Commons Atribuire 4.0 internațională (CC BY 4.0) licență. Drepturile de autor rămân la deținătorii de drepturi de autor originale, precum autorii sau instituțiile lor.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Jurnalul cuantic