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日前,北京理工大学物理学院张向东教授课题组和集成电路与电子学院孙厚军教授课题组开展合作,在拓扑电路和非阿贝尔逆安德森相变研究方面取得重要进展。相关工作发表在Physical Review Letters上 (Phys. Rev. Lett. 130, 206401 (2023)),并获得编辑推荐(Editors' Suggestion)。研究工作得到了国家自然科学基金委和国家重点研发计划的资助。北京理工大学物理学院张蔚暄研究员和硕士研究生王海藤为论文的共同第一作者,张向东教授 为通讯作者。
安德森局域化和平带局域化是限制波的两种主要机制。深入探究两种局域化之间的相互作用具有广泛的研究兴趣。过去的研究表明,无序可以在平带系统中诱导局域化-退局域化相变,这种现象被称为逆安德森相变。科学家利用人工电路和超冷原子系统,实现了对这一新奇现象的实验验证。迄今为止,逆安德森相变的理论和实验研究,都是在由阿贝尔规范场引起的平带系统完成的。
非阿贝尔规范场是杨振宁和罗伯特?米尔斯为了描述核子间相互作用而提出的。最近,人们将有效非阿贝尔规范场的概念推广到实空间和各种参数空间,揭示了众多具有非阿贝尔特性的新奇物理现象,如非阿贝尔AB效应,非阿贝尔拓扑态和非阿贝尔平带局域化等。因此,进一步探究逆安德森相变和非阿贝尔规范场的相互作用,揭示具有非阿贝尔特性的新奇无序物态,是具有重要意义的研究课题。另外,如何实验构造复杂的非阿贝尔无序系统,也是亟待解决的重要问题。
研究亮点之一:理论揭示出具有赝自旋选择性的非阿贝尔逆安德森相变
首先,研究人员考虑具了有U(2)非阿贝尔规范场的一维平带模型,如图1a所示。每个原胞包含‘a’,‘b’,‘c’三个子格点,且每个子格点具有一对内部赝自旋
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图1. 非阿贝尔逆安德森相变的理论模型和计算结果
为了进一步探究局域和退局域本征态的区别,研究人员计算了局域本征态(图1e)和退局域本征态(图1f)的空间分布。其中a子晶格的本征态分布图显示在下方的子图中。可以清晰的看到,在偶(奇)数原胞的a子晶格中,非阿贝尔退局域态具有0 (π)的赝自旋相位差。而非阿贝尔局域态则在偶(奇)数原胞的a子晶格中,具有π(0)的赝自旋相位差。在这种情况下,两个赝自旋可以在反关联无序的作用下产生相长或相消的干涉作用,实现局域和离域效应。图1g和1h分别展示了初态在第20个原包的a子格点且赝自旋相位差分别为
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研究亮点之二:基于拓扑电路的非阿贝尔逆安德森相变实验研究
基于凝聚态晶格模型与电子线路网络的一致性,研究人员设计并制备了非阿贝尔AB笼电路并实现了对非阿贝尔逆安德森相变的实验观测。图2a和2b展示了非阿贝尔AB笼电路样品的示意图。具体的格点连接原理图显示在图2c中。研究人员首先测量了非阿贝尔电路第5个原胞的a子晶格的阻抗响应,如图2d所示。蓝色和红色线分别对应赝自旋激励方式
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图2. 非阿贝尔拓扑电路及实验阻抗响应
为了进一步观察非阿贝尔逆安德森相变,研究人员对非阿贝尔AB笼电路的电压动力学进行测量。图3a和3b分别显示了在对应于
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图3. 基于拓扑电路观察初态依赖的局域-退局域效应
该工作主要讨论了非阿贝尔规范场和逆安德森相变之间的相互作用。基于非阿贝尔AB笼模型,研究人员首次揭示了与赝自旋相关的局域和退局域本征态共存效应。通过设计非阿贝尔AB笼拓扑电路,实验实现了具有初态依赖特性的逆安德森相变。本工作为研究非阿贝尔规范场,平带局域化和无序的相互作用提供了重要的实验平台,并在电信号控制领域具有潜在应用前景。
论文链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.206401