Нова двойственост разрешава мистерия на физиката

На заден план може да се види полуравнина на Поанкаре, която показва извита повърхност. Белите геодезики на извитата повърхност са представени като аналог на прави линии върху плоско пространство. Белите топки, движещи се в правилната посока, демонстрират геометричния произход на необикновения скин ефект в неермитовата физика. Кредит: Chenwei Lv и Ren Zhang.

Според конвенционалната мъдрост, създаването на извито пространство изисква изкривявания, като огъване или разтягане на плоско пространство. Екип от изследователи от университета Пърдю откри нов метод за създаване на извити пространства, който също разрешава мистерия във физиката. Без никакво физическо изкривяване на физическите системи, екипът разработи схема, използваща нехермитичност, която съществува във всички системи, съчетани с околната среда, за да създаде хиперболична повърхност и множество други прототипни извити пространства.

„Нашата работа може да революционизира разбирането на широката публика за кривините и разстоянието“, казва Чи Джоу, професор по физика и астрономия. „Той също така отговори на дългогодишни въпроси относно неермитовата квантова механика, като свързва неермитовата физика и извити пространства. Тези две теми трябваше да бъдат напълно разединени. Изключителното поведение на неермитските системи, което озадачаваше физиците в продължение на десетилетия стават още по-мистериозни, ако разпознаем, че пространството е извито. С други думи, нехермитността и извитите пространства са двойни едно на друго, тъй като са двете лица на една и съща стая.

Екипът наскоро публикува своите констатации в Комуникация с природата. От членовете на екипа повечето работят в кампуса West Lafayette на университета Purdue. Аспирант Chenwei Lv е водещ автор, а колегите членове на екипа на Purdue включват професор Qi Zhou и постдокторант Zhengzheng Zhai. Съавторът професор Рен Джанг от университета Сиан Джиаотонг беше гостуващ учен в Purdue, когато проектът беше стартиран.

За да разберем как работи това откритие, първо трябва да разберем разликата между ермитовите и неермитовите системи във физиката. Джоу го обяснява, използвайки пример, в който квантовата частица може да “скача” между различни места в решетката. Ако вероятността квантовата частица да скочи в дясната посока е същата като вероятността да скочи в лявата посока, тогава хамилтонианът е хермитски. Ако тези две вероятности са различни, хамилтонианът е неермитов. Ето защо Chenwei и Ren Zhang използваха стрелки с различни размери и дебелина, за да посочат вероятностите за скачане в противоположни посоки в техния график.

„Типичните квантовомеханични учебници се фокусират предимно върху системи, управлявани от хамилтонианци, които са хермитски“, казва Лв. „Една квантова частица, движеща се през решетка, трябва да има еднаква вероятност за тунелиране в лява и дясна посоки. Докато хамилтоните на Хермит са добре установени рамки за изучаване на изолирани системи, връзките с околната среда неизбежно водят до разсейване в отворените системи, което може да доведе до към хамилтонианци, които вече не са хермитски Например, тунелните амплитуди в решетката вече не са равни в противоположни посоки, явление, наречено нереципрочно тунелиране.В такива нехермитски системи познатите резултати от учебника вече не се прилагат и някои дори може да изглеждат напълно противоположни на тези на ермитовите системи Например, собствените състояния на неермитовите системи вече не са ортогонални, противно на това, което научихме в първи клас от бакалавърски курс по квантова механика. Тези необикновени поведения на системите Нехермитските явления озадачават физиците от десетилетия, но много въпроси без отговор остават отворени.”

Освен това той обяснява, че тяхната работа предоставя безпрецедентно обяснение на неермитски фундаментални квантови явления. Те откриха, че нехермитски хамилтониан извива пространството, където се намира квантовата частица. Например, квантова частица в нереципрочна тунелна решетка всъщност се движи по извита повърхност. Съотношението на амплитудите на тунелиране в една посока към тези в обратната посока контролира размера на извитата повърхност. В такива извити пространства всички странни нехермитски явления, някои от които може дори да изглеждат нефизически, веднага стават естествени. Това е крайната кривина, която изисква ортонормални условия, различни от техните колеги в плоски пространства. Като такива, собствените състояния няма да изглеждат ортогонални, ако използваме получената теоретична формула за плоски пространства. Освен това крайната кривина поражда необикновения нехермитски скин ефект, че всички собствени състояния се концентрират близо до единия ръб на системата.

„Това изследване е от фундаментално значение и неговите последици са двойни“, казва Джанг. „От една страна, той установява нехермитността като уникален инструмент за симулиране на интригуващи квантови системи в извити пространства“, обяснява той. „Повечето квантови системи, налични в лабораториите, са плоски и често изискват значителни усилия за достъп до квантови системи в извити пространства. Нашите резултати показват, че нехермитността предлага на експериментаторите допълнителен бутон за достъп и манипулиране на извити пространства. Пример е, че хиперболичната повърхност може да бъде създаден и след това да бъде нанизан от магнитно поле.Това може да позволи на експериментаторите да изследват реакциите на квантовите състояния на Хол към крайни кривини, отворен въпрос във физиката на кондензираната материя. От друга страна, дуалността позволява на експериментаторите да използват извити пространства, за да изследват не -Хермитска физика. Например, нашите резултати предлагат на експериментаторите нов подход за достъп до изключителни точки, използвайки извити пространства и подобряване на точността на квантовите сензори, без да се прибягва до разсейване.

Сега, когато екипът публикува своите констатации, той очаква те да се разпространят в няколко посоки за по-нататъшно проучване. Физиците, изучаващи извити пространства, биха могли да приложат своите устройства, за да отговорят на трудни въпроси от неермитовата физика. Освен това, физиците, работещи върху неермитови системи, биха могли да адаптират разсейванията за достъп до нетривиални извити пространства, които не могат да бъдат лесно получени с конвенционални средства. Изследователската група на Джоу ще продължи да изследва теоретично повече връзки между неермитовата физика и извити пространства. Те също така се надяват да помогнат за преодоляване на пропастта между тези две теми по физика и да съберат тези две различни общности за бъдещи изследвания.


Изследователите откриват нов начин за постигане на контрол на квантовите загуби


Повече информация:
Chenwei Lv et al, Изкривяване на пространството чрез нехермитност, Комуникация с природата (2022 г.). DOI: 10.1038/s41467-022-29774-8

Предоставено от университета Purdue

цитат: Новата дуалност решава мистерия на физиката (1 юни 2022 г.), извлечена на 2 юни 2022 г. от https://phys.org/news/2022-06-duality-physics-mystery.html

Този документ е обект на авторско право. Освен за честна употреба за целите на частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писмено разрешение. Съдържанието е предоставено само за информация.

Add Comment