中国科大基于单自旋体系开展非厄米物理研究取得重要实验进展

中国科学技术大学自旋磁共振实验室杜江峰、荣星等研究人员在单自旋系统中开展非厄米特物理实验研究，首次实现了非厄米特非阿贝尔拓扑转变的观测以及一种新型奇异点——狄拉克奇异点的发现。这两项成果分别以“non-hermitian non-abelian topological transition in the s=1 electron spin system of a nitrogen vacancy centre in diamond”和“experimental observation of dirac exceptional points”为题，发表于《自然·纳米技术》和《物理评论快报》，其中后者被选为“编辑推荐”文章。

非厄米特体系展现出一系列独特的物理现象，在量子调控与拓扑物理领域具有重要的理论价值和应用潜力。近年来的研究表明，多能级非厄米特系统能够产生丰富的非阿贝尔拓扑行为及多种类型的奇异点，这些奇异点之间的相互作用机制构成了该体系众多应用的基础。然而，由于对多能级非厄米特系统的高精度、高自由度量子态操控存在极大挑战，许多关键的非阿贝尔现象和新型奇异点尚未被实验证实。

研究团队近年来依托单自旋系统持续推进非厄米特物理实验研究：首先提出了一种实现非厄米特哈密顿量的通用方法[Science 364, 878 (2019)]，随后在二能级非厄米特系统中观测到手性模式转换现象[Physical Review Letters 126，170506 (2021)]，并进一步将研究拓展至三能级系统，成功观测三阶奇异线现象[Nature Nanotechnology 19, 160 (2024)]，为此次取得的新突破打下了坚实基础。

第一项研究成果是在与中国科学院物理研究所胡海平研究员合作下完成的，实验首次在单自旋系统中观测到了非厄米特非阿贝尔拓扑转变现象。实验结果显示，不同种类奇异点之间的相互作用引发了非阿贝尔拓扑转变。在这一过程中，体系能谱的拓扑结构发生变化，但传统的拓扑荷保持不变；而一种非阿贝尔型的拓扑不变量——能谱编织方式则发生了改变。这说明该过程无法通过常规的阿贝尔拓扑荷进行描述，必须借助非阿贝尔编织不变量来完整刻画。此外，研究还观察到一个新奇现象：一对带有相反拓扑荷的二阶奇异点在融合时并未消失，而是形成了一个新的三阶奇异点，揭示了非阿贝尔拓扑转变对能谱结构和奇异点性质的重要影响。

图1 非厄米特非阿贝尔拓扑跃迁。(a)和(b)展示了由不同类型奇异点之间相互作用引发的非阿贝尔转变。(c)和(d)展示了能谱编织作为非阿贝尔拓扑不变量对转变过程的刻画能力。

第二项成果是首次在实验中观测到一类全新的奇异点——狄拉克奇异点。这类奇异点附近的本征值为纯实数，并且其色散关系呈现线性变化特征，明显区别于传统奇异点附近常见的平方根色散规律。实验结果还证实了该奇异点处存在本征态的简并性，说明其并非厄米特简并点。值得注意的是，这种本征值为实数的特性为在非厄米特系统中实现绝热演化提供了可能，也有助于避免虚部带来的耗散效应。该成果受到PHYS.ORG网站专题报道，标题为“The first experimental observation of Dirac exceptional points”。

图2 狄拉克奇异点。图中显示了狄拉克奇异点兼具附近能谱为实数和本征态发生简并的双重特征。

这两项工作为多能级非厄米特物理研究奠定了重要基础。一方面推动了对非厄米特系统中新奇拓扑现象的理解，另一方面也为未来通过调控非厄米特能谱结构，在量子控制、非互易传输等领域实现应用开辟了新路径。

值得一提的是，上述研究的顺利实施离不开王亚教授课题组在高质量金刚石制备方面长期积累的技术优势。王亚团队成功合成出碳-12同位素丰度高达99.999%的金刚石样品，有效抑制了核自旋噪声对电子自旋相干时间的影响，为实验的成功提供了关键保障。

第一项工作的共同第一作者为王云汉博士研究生和伍旸博士，通讯作者为胡海平研究员、荣星教授和杜江峰院士；第二项工作的共同第一作者为伍旸、朱东方昊和王云汉，通讯作者为荣星教授和杜江峰院士。

本研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和安徽省的联合资助。

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