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非厄米性的概念拓展了对能带拓扑的理解，导致了反直观现象的出现。一个例子是非厄米趋肤效应(NHSE)，它涉及到本征态在边界的集中。然而，尽管在弯曲空间、高阶拓扑相位和黑洞等领域可以从高维非厄米量子系统中获得潜在的洞察力，但这种效应在高维中的实现仍然有待探索。2025年1月8日，香港科技大学Gyu-Boong Jo、北京大学刘雄军共同通讯在Nature在线发表题为“Two-dimensional non-Hermitian skin effect in an ultracold Fermi gas”的研究论文，该研究为自旋轨道耦合光学晶格中的超冷费米子创建了一个二维(2D)非厄米拓扑带，它具有可调耗散，表现出NHSE。
研究人员首先在实验上证明了非零耗散的复能量平面中显著的非零谱缠绕数，这证明了2D集肤效应的存在。此外，通过监测原子的质心运动，观察了实空间中NHSE的实空间动力学特征。最后，还证明了在动量空间中创建了一对例外点，它们由一个开放的体费米弧连接，这与在厄米系统中发现的闭环相反。随着耗散的增加，相关的异常点出现并移动，导致费米弧的形成。该工作为进一步研究模拟高维非厄米物理奠定了基础，并为理解量子统计与NHSE的相互作用铺平了道路。
当量子系统与环境交换粒子和能量时，保证具有实特征值的守恒能量的哈密顿量的厄米性被破坏。这种开放的量子系统可以有效地用非厄米哈密顿量来描述，这是对有增益和损耗的经典系统、相互作用的电子系统和光量子气体的普遍描述。最近，非厄米概念被进一步推广到周期晶格系统，其中非厄米性与能带拓扑相互作用，并深刻地改变能带结构，导致新的特征，如连接两个例外点的大块开口费米弧，显示半整数拓扑电荷。非厄米带中一个有趣的现象是非厄米趋肤效应(NHSE)，它涉及到开放系统边界上本征态的积累。人们已经注意到，传统的布洛赫带理论在非厄米性下失效，并且已经指出异常简并是NHSE的前兆。许多研究通过考虑能带拓扑、对称性和NHSE之间的相互作用，重新审视了体边界对应，但大多数以前的工作都集中在一维(1D)构型。尽管理解NHSE的理论框架大多在1D已经确立，更高维度或具有额外物理自由度的NHSE(例如，对称性、长程耦合和能带拓扑)仍然在理论和实验中受到限制。然而，在实验上，同时实现异常简并和NHSE仍然是一个巨大的挑战，尤其是在量子系统或更高维度中。特别地，还没有实验上实现具有非厄米拓扑带的费米系统。自旋轨道耦合光学晶格中的厄米和非厄米系统（图源自Nature）在该研究中，研究人员首次观察到超冷费米气体的2D NHSE，并系统地研究了量子系统中例外点和趋肤效应的共存这是通过用SOC设计2D费米气体的非厄米性来实现的，这显示了一个有趣的系统来探索丰富的现象，包括2D拓扑节点，趋肤效应和异常点物理。除了静态区域，目前的实现为研究具有工程非厄米性的非平衡量子动力学开辟了一个有希望的方向。与经典系统相比，该实验自然地设置了一个量子多体系统，从而为利用耗散的超冷费米子研究多体系统中的非厄米量子动力学铺平了道路。此外，高度可控性也使我们的系统成为一个多功能平台，用于探索与弯曲空间和黑洞模拟等深层物理相关的高维非厄米现象，为研究凝聚态物质和超冷原子之外的奇异量子物理开辟了一条广阔的道路。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08347-3
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