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北理工課題組在非阿貝爾平帶和拓?fù)潆娐费芯糠矫嫒〉弥匾M(jìn)展


日前,,北京理工大學(xué)物理學(xué)院張向東教授課題組和集成電路與電子學(xué)院孫厚軍教授課題組開展合作,在拓?fù)潆娐泛头前⒇悹柲姘驳律嘧冄芯糠矫嫒〉弥匾M(jìn)展,。相關(guān)工作發(fā)表在Physical Review Letters上 (Phys. Rev. Lett. 130, 206401 (2023)),,并獲得編輯推薦(Editors' Suggestion)。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的資助,。北京理工大學(xué)物理學(xué)院張蔚暄研究員和碩士研究生王海藤為論文的共同第一作者,,張向東教授      為通訊作者。

安德森局域化和平帶局域化是限制波的兩種主要機(jī)制,。深入探究?jī)煞N局域化之間的相互作用具有廣泛的研究興趣,。過(guò)去的研究表明,無(wú)序可以在平帶系統(tǒng)中誘導(dǎo)局域化-退局域化相變,,這種現(xiàn)象被稱為逆安德森相變,。科學(xué)家利用人工電路和超冷原子系統(tǒng),,實(shí)現(xiàn)了對(duì)這一新奇現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,。迄今為止,逆安德森相變的理論和實(shí)驗(yàn)研究,,都是在由阿貝爾規(guī)范場(chǎng)引起的平帶系統(tǒng)完成的,。

非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)是楊振寧和羅伯特?米爾斯為了描述核子間相互作用而提出的。最近,,人們將有效非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)的概念推廣到實(shí)空間和各種參數(shù)空間,,揭示了眾多具有非阿貝爾特性的新奇物理現(xiàn)象,如非阿貝爾AB效應(yīng),,非阿貝爾拓?fù)鋺B(tài)和非阿貝爾平帶局域化等,。因此,進(jìn)一步探究逆安德森相變和非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)的相互作用,,揭示具有非阿貝爾特性的新奇無(wú)序物態(tài),,是具有重要意義的研究課題。另外,,如何實(shí)驗(yàn)構(gòu)造復(fù)雜的非阿貝爾無(wú)序系統(tǒng),,也是亟待解決的重要問(wèn)題。

研究亮點(diǎn)之一:理論揭示出具有贗自旋選擇性的非阿貝爾逆安德森相變

首先,,研究人員考慮具了有U(2)非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)的一維平帶模型,,如圖1a所示。每個(gè)原胞包含‘a(chǎn)’,‘b’,‘c’三個(gè)子格點(diǎn),,且每個(gè)子格點(diǎn)具有一對(duì)內(nèi)部贗自旋,。該系統(tǒng)中不同格點(diǎn)間的耦合相互作用,可以通過(guò)四個(gè)2×2的耦合矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中,,保證了系統(tǒng)的非阿貝爾特性,。圖1b展示了動(dòng)量空間非阿貝爾能帶的數(shù)值結(jié)果,非阿貝爾平帶出現(xiàn)在處,。為了探究無(wú)序?qū)Ψ前⒇悹柶綆У挠绊?,研究人員在奇數(shù)原胞的‘b’,‘c’子格點(diǎn)添加了具有反關(guān)聯(lián)無(wú)序效應(yīng)的在位能調(diào)制,如圖1c所示,。圖1d顯示了非阿貝爾無(wú)序AB籠模型在附近,,本征態(tài)IPR隨系統(tǒng)尺寸的變化關(guān)系。有趣的是,,具有局域性質(zhì)(藍(lán)色)和退局域性質(zhì)(紅色)的本征態(tài)各占總數(shù)的一半,。這一現(xiàn)象說(shuō)明,無(wú)序非阿貝爾AB籠同時(shí)具有局域態(tài)與退局域態(tài),。

圖1. 非阿貝爾逆安德森相變的理論模型和計(jì)算結(jié)果

為了進(jìn)一步探究局域和退局域本征態(tài)的區(qū)別,,研究人員計(jì)算了局域本征態(tài)(圖1e)和退局域本征態(tài)(圖1f)的空間分布。其中a子晶格的本征態(tài)分布圖顯示在下方的子圖中,??梢郧逦目吹剑谂?奇)數(shù)原胞的a子晶格中,,非阿貝爾退局域態(tài)具有0 (π)的贗自旋相位差,。而非阿貝爾局域態(tài)則在偶(奇)數(shù)原胞的a子晶格中,具有π(0)的贗自旋相位差,。在這種情況下,,兩個(gè)贗自旋可以在反關(guān)聯(lián)無(wú)序的作用下產(chǎn)生相長(zhǎng)或相消的干涉作用,實(shí)現(xiàn)局域和離域效應(yīng),。圖1g和1h分別展示了初態(tài)在第20個(gè)原包的a子格點(diǎn)且贗自旋相位差分別為的波函數(shù)動(dòng)力學(xué)演化特性,。該結(jié)果清晰展示了初始贗自旋依賴的非阿貝爾逆安德森相變。

研究亮點(diǎn)之二:基于拓?fù)潆娐返姆前⒇悹柲姘驳律嘧儗?shí)驗(yàn)研究

基于凝聚態(tài)晶格模型與電子線路網(wǎng)絡(luò)的一致性,,研究人員設(shè)計(jì)并制備了非阿貝爾AB籠電路并實(shí)現(xiàn)了對(duì)非阿貝爾逆安德森相變的實(shí)驗(yàn)觀測(cè),。圖2a和2b展示了非阿貝爾AB籠電路樣品的示意圖。具體的格點(diǎn)連接原理圖顯示在圖2c中,。研究人員首先測(cè)量了非阿貝爾電路第5個(gè)原胞的a子晶格的阻抗響應(yīng),如圖2d所示,。藍(lán)色和紅色線分別對(duì)應(yīng)贗自旋激勵(lì)方式,。可以看到兩種激勵(lì)方式的阻抗響應(yīng)幾乎一致,,并且四個(gè)阻抗峰值的頻率與非阿貝爾平帶的能量完美對(duì)應(yīng),。接著對(duì)引入有效反關(guān)聯(lián)無(wú)序的非阿貝爾電路進(jìn)行阻抗測(cè)量。圖2e和2f分別顯示了無(wú)序非阿貝爾AB籠中,第5和第6個(gè)原胞的a子晶格阻抗譜,。紅色和藍(lán)色線分別對(duì)應(yīng)贗自旋激勵(lì)方式為,。可以看到,,當(dāng)偶(奇)數(shù)原胞的a子晶格贗自旋相位差為0 (π)時(shí),,原平帶阻抗峰分裂為多個(gè)頻率不同的低阻抗峰,對(duì)應(yīng)于退局域化效應(yīng)的產(chǎn)生,。而當(dāng)偶(奇)數(shù)原胞的a子晶格的贗自旋相位差為π(0)時(shí),,非阿貝爾平帶阻抗峰值仍然存在。這些結(jié)果充分表明,,贗自旋依賴的局域化和退局域化同時(shí)存在于無(wú)序非阿貝爾AB籠中,。

圖2. 非阿貝爾拓?fù)潆娐芳皩?shí)驗(yàn)阻抗響應(yīng)

為了進(jìn)一步觀察非阿貝爾逆安德森相變,研究人員對(duì)非阿貝爾AB籠電路的電壓動(dòng)力學(xué)進(jìn)行測(cè)量,。圖3a和3b分別顯示了在對(duì)應(yīng)于的電壓激發(fā)下,,非阿貝爾AB籠電路的電壓動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果??梢郧逦吹?,電壓信號(hào)局域在激勵(lì)點(diǎn)周圍并且展現(xiàn)初態(tài)依賴的空間局域化效應(yīng)。電壓的空間局域化分布與理論完全一致,。而對(duì)于無(wú)序非阿貝爾AB籠電路,,具有贗自旋依賴的局域化和退局域化效應(yīng)可以被觀察到,如圖3c和3d所示,。其中,,初始激勵(lì)形式為的電壓信號(hào),迅速擴(kuò)展到整個(gè)電路,。而對(duì)應(yīng)于的初始激發(fā),,電壓信號(hào)保持與非阿貝爾AB籠電路一致的空間局域化效應(yīng)。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明了依賴于初始贗自旋的逆安德森相變,。

圖3. 基于拓?fù)潆娐酚^察初態(tài)依賴的局域-退局域效應(yīng)

該工作主要討論了非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)和逆安德森相變之間的相互作用,。基于非阿貝爾AB籠模型,,研究人員首次揭示了與贗自旋相關(guān)的局域和退局域本征態(tài)共存效應(yīng),。通過(guò)設(shè)計(jì)非阿貝爾AB籠拓?fù)潆娐罚瑢?shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了具有初態(tài)依賴特性的逆安德森相變,。本工作為研究非阿貝爾規(guī)范場(chǎng),,平帶局域化和無(wú)序的相互作用提供了重要的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并在電信號(hào)控制領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景,。

論文鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.206401


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