Team observeert uitzonderlijke lijn van de derde orde in het stikstof-vacancy-spinsysteem

Onderzoekers hebben systematisch de relaties tussen symmetrieën en niet-Hermitische uitzonderlijke punten (EP’s) van hoge orde bestudeerd en de uitzonderlijke lijn van de derde orde (EL) waargenomen in een stikstof-vacancy (NV) spinsysteem. Het werk is gepubliceerd in het journaal Natuur Nanotechnologie.

EP’s zijn singulariteiten in niet-Hermitische systemen, waar er twee of meer eigenwaarden zijn en eigentoestanden samenvloeien. Veel exotische topologische verschijnselen en nieuwe dynamische kenmerken treden op dankzij de unieke kenmerken van EP’s. EP’s hebben een essentiële rol gespeeld bij het begrijpen van baanbrekende gebieden zoals kwantumcomputers en topologische faseovergangen.

EP’s van hoge orde vertonen rijkere topologische kenmerken en betere detectieprestaties dan EP’s van de tweede orde. Het realiseren van EP’s van hoge orde is echter nogal moeilijk omdat het afhankelijk is van het gelijktijdig afstemmen van meerdere systeemparameters, en hoe hoger de orde van de EP’s, hoe meer systeemparameters tegelijkertijd moeten worden afgestemd, wat het realisatieproces uitdagend maakt.

De onderzoeksteams – onder leiding van academicus Du Jiangfeng en prof. Rong Xing van het CAS Key Laboratory of Microscale Magnetic Resonance van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China (USTC) – maakten gebruik van één enkel NV-centrum, een defect op atomaire schaal in diamant, en de nucleair spinsysteem om de niet-hermitische systemen te realiseren die zowel PT-symmetrie als pseudochiraliteit omvatten. Verder werd de experimentele observatie van derde-orde EL in tweedimensionale parameterruimte gerapporteerd.

Door systematisch de rol van symmetrie in EP-geometrieën van hoge orde te onderzoeken, onthulden de onderzoekers dat EP’s van de derde orde kunnen bestaan ​​als geïsoleerde punten terwijl er alleen PT-symmetrie was in de niet-Hermitische Hamiltoniaan.

De onderzoekers onderzochten verder de relatie tussen de EP’s van de derde orde en de symmetrieën van de niet-Hermitische Hamiltonianen. Het bleek dat er geen EP van de derde orde was toen de niet-Hermitische Hamiltoniaan geen symmetrie had, wat het belang van symmetrieën benadrukt bij het bestuderen van de structuur van EP’s van hoge orde.

Het is de moeite waard te vermelden dat de succesvolle observatie van EP-geometrieën van hoge orde heeft geprofiteerd van de eerdere onderzoeken naar diamanten. Vooral prof. Wang Ya houdt zich al jaren bezig met de synthese en productie van diamanten van hoge kwaliteit, wat een solide basis voor dit werk heeft gelegd.

Dit werk is van fundamenteel belang voor niet-hermitische studies. Het kan verder worden toegepast om EP-gerelateerde topologische fysica van hoge orde op atomaire schaal te onderzoeken en licht te werpen op kwantumcontrole en kwantum-verbeterde metrologie.