Em um novo estudo da Physical Review Letters , cientistas demonstraram a primeira observação experimental de explosão de borda não hermitiana na dinâmica quântica usando uma configuração de caminhada quântica fotônica cuidadosamente projetada.

O crescente interesse em sistemas não hermitianos reflete seu papel na compreensão de sistemas do mundo real que são caracterizados por dissipação, interações com o ambiente ou mecanismos de ganho e perda.

Eles revelam uma nova física não vista em sistemas hermitianos, como localização de limites, que pode ter aplicações interessantes em fotônica e física da matéria condensada. Os pesquisadores no estudo PRL se concentraram em um efeito de pele não hermitiano (NHSE), onde um sistema exibe comportamento único nas bordas ou limites.

Falando sobre sua motivação para estudar sistemas não-hermitianos, o Prof. Xue disse: "Um dos principais incentivos para seu progresso florescente foi a descoberta do NHSE". O termo NHSE foi cunhado pelo Prof. Wang e seu colega em um estudo anterior do PRL , e a equipe tem trabalhado ativamente nele desde sua descoberta.

O Prof. Yi acrescentou: "Embora o NHSE tenha revelado propriedades estáticas intrigantes (como o espectro de energia ) de sistemas não hermitianos, ficamos muito curiosos sobre a possível existência de novos fenômenos dinâmicos com extrema sensibilidade a limites."

Em sistemas não-Hermitianos, os operadores não são iguais aos seus conjugados Hermitianos. Como resultado, os autovalores são complexos, o que dá origem a fenômenos distintos como o NHSE.

No NHSE, os autoestados de um sistema não-hermitiano se acumulam nas bordas ou limites. Isso é diferente das propriedades em massa vistas em sistemas hermitianos. O NHSE é tipicamente visto em sistemas abertos com ganho ou perda de energia, ou seja, hamiltoniano.

Estudos anteriores estudaram esse efeito em condições estáticas, o que significa que as propriedades do sistema, como o Hamiltoniano, não mudam com o tempo. No entanto, Wang e sua equipe se concentraram em examinar como a dinâmica das bordas muda com o tempo.

"Enquanto estudos anteriores se concentraram em aspectos mais estáticos (como o espectro de energia) de sistemas não hermitianos, nosso trabalho revela um fenômeno dinâmico intrigante", disse o Prof. Wang.

Estudar a dinâmica em tempo real pode oferecer insights sobre sistemas do mundo real onde o hamiltoniano evolui ao longo do tempo, refletindo mudanças na energia e no comportamento do sistema.

Para investigar a dinâmica de borda em tempo real em sistemas não-hermitianos, os pesquisadores usaram uma configuração apresentando uma caminhada quântica unidimensional com fótons. Cada passo ou movimento é determinado por um cara ou coroa quântico, que introduz movimento probabilístico.

Um limite ou parede fazia parte da configuração experimental, segmentando o sistema em duas regiões, onde cada região seguia regras diferentes para a caminhada quântica.

A caminhada quântica do fóton foi gerenciada com a ajuda de diferentes ferramentas ópticas, incluindo divisores de feixe, placas de onda e deslocadores de feixe.

O objetivo deles era estudar como o mecanismo de perda funciona na fronteira, para o qual eles usam divisores de feixe parcialmente polarizadores. Isso introduz perda de fótons, que eles podem então medir quando os fótons saem do sistema.

Por meio dessa medição, eles conseguem determinar a ocorrência de perda em várias posições e momentos, o que lança luz sobre a dinâmica da borda. Além disso, os pesquisadores exploraram como diferentes condições iniciais (onde os fótons começam) afetam a dinâmica da borda do sistema não-Hermitiano.

Os pesquisadores detectaram um aumento na probabilidade de perda de fótons na fronteira, confirmando a existência da explosão de borda não-hermitiana. No entanto, eles descobriram que isso só ocorre quando duas condições são atendidas simultaneamente.

A primeira condição é que o efeito de pele não-hermitiano — onde os autoestados se acumulam perto das bordas — deve estar presente. Em segundo lugar, a lacuna imaginária no espectro de energia deve ser fechada. Isso significa que a diferença entre as partes real e imaginária do espectro de energia diminui.

A necessidade de que as duas condições sejam atendidas simultaneamente destaca a interação entre a localização estática (NHSE) e a evolução dinâmica (lacuna imaginária).

O Prof. Yi explicou: "Esses fenômenos fornecem uma visão completa sobre a correspondência entre a topologia não hermitiana do volume e as características nítidas, tanto estáticas quanto dinâmicas, nas fronteiras."

Eles também concluíram que a posição inicial das fotos desempenha um papel na explosão de borda se tornando pronunciada. A probabilidade de perder um fóton na parede limite é reduzida quando o fóton começa mais longe do limite, em comparação a quando começa perto dele.

Mapeando com sucesso a evolução em tempo integral do edge burst, os pesquisadores mostraram que ele ocorre precisamente quando a partícula atinge o limite. Além disso, eles mostraram que os fenômenos são consistentes mesmo quando a posição inicial da partícula varia.

A observação experimental de explosões de borda em tempo real em sistemas não hermitianos revela uma nova interação entre física topológica e fenômenos dinâmicos.

De acordo com o Prof. Wang, isso poderia abrir novos caminhos para a pesquisa neste campo. Ele disse: "A sensibilidade espacial e espectral do edge burst abre o caminho para explorar a coleta de luz localizada ou o sensoriamento quântico usando o fenômeno.

O Prof. Xue acrescentou: "Nosso trabalho abre caminho para o estudo da rica dinâmica em tempo real em sistemas topológicos não hermitianos, sugerindo a possível existência de outras relações de escala universais em sistemas não hermitianos."

De acordo com a equipe, o efeito de explosão de borda poderia ser utilizado de forma prática para coletar luz ou partículas em locais precisos, com implicações para a fotônica e outros campos baseados em ondas.