北京计算科学研究中心薛鹏教授团队在非厄米金属拓扑能带结构研究中取得重要的研究进展

导读

日前，北京计算科学研究中心薛鹏教授团队在非厄米金属拓扑能带结构研究中取得重要进展。他们利用单光子干涉仪，在实验上模拟了两类具有不同拓扑奇异线能带结构的非厄米金属，并系统地研究了相应的奇异线拓扑特性在微扰下的稳定性。研究成果以“Simulating Exceptional Non-Hermitian Metals with Single-Photon Interferometry”为题，于2021年7月9日发表于Physical Review Letters。

研究背景

拓扑半金属材料, 因其在费米面附近存在能级交叉简并点，从而具有奇特的电子输运特性及高载流子迁移率等优势，近年来备受关注。在与此对应的非厄米金属体系中, 由于存在非厄米体系特有的对称性，这些能级交叉简并点可以被具有特定拓扑构型的奇异线取代，体系哈密顿量在奇异线上不能被对角化，并出现新奇临界现象。此前的理论研究表明，非厄米对称性可以降低出现奇异线结构的体系维度，并使奇异线拥有丰富的拓扑构型。然而，由于实验上直接实现非厄米金属模型比较困难，针对非厄米金属性质及其能带结构的系统实验研究依然缺乏。

创新研究

北京计算科学研究中心薛鹏教授团队，基于对单光子非厄米实验平台研究的深厚积累，用单光子偏振态编码动量空间中非厄米金属能级，将动量编码于波片角度，通过引入光子数丢失，实验模拟了相关非厄米金属模型的动力学演化，并采用干涉测量，实现了对非厄米哈密顿量本征能量的测量，进而实现了对非厄米金属能带结构完整的模拟和刻画。

图1：单光子干涉仪模拟非厄米金属实验装置图。

实验中，通过调整参数，分别模拟了两种不同的非厄米金属能带结构。在第一种非厄米金属中，通过引入对称性，降低了能带中奇异线的存在对系统维度的要求，实验中观测到了二维能带中对称保护的奇异线结构及以奇异线为边界的开放费米面的存在。在另一种三维非厄米金属模型中，实验分别观测到了不依赖于对称性的结式和链式奇异线构型。在此基础上，还研究了两种非厄米金属中奇异线结构在不同微扰下的稳定性。结果表明，对于第一种受拓扑保护的奇异线结构，在破缺了相关非厄米对称性的微扰下，奇异线消失，而在对称性保持的微扰下，奇异线的存在具有鲁棒性。而对于三维空间中的结式和链式奇异线结构，即使是在能够破坏所有对称性的随机微扰下，其特殊奇异线结构也呈现出一定稳定性。