近日，中国科学技术大学苏州高等研究院蒋建华教授课题组与香港浸会大学马冠聪教授课题组合作， 在非厄米动力学领域取得新进展。该成果以“Observation of dynamic non-Hermitian skin effects”为题发表在《Nature Communications》上。

一、研究亮点

在这项研究中，作者揭示了系统中各种动力学相，从而为理解由晶体对称性富化的动力学和相变提供了新视角。作者特别指出，非厄米GT模型是对称性富化物理的一个极好例子，相比于如Hatano-Nelson模型和非厄米SSH模型等已广泛研究的模型，它具有更丰富的动力学相图。作者通过特殊的反馈设计和编程电动机在耦合的机械振荡器系统中实现了非厄米GT模型。

图1 非厄米GT模型和相图以及机械振荡器系统原胞照片

作者在所有实验中通过一个覆盖宽频范围的短脉冲，揭示了全频谱的动态特性。在所有相的时空演化（图2）中都清晰地观察到波向单向传播的趋势，这证实了动力学非厄米趋肤效应（NHSE）。此外，在各相中还出现了明显的拍频模式、单频振荡行为和多模式等动力学现象。这些结果通过开放边界条件下的（OBC）能谱以及短时傅里叶变换得到了分析和验证。

图2 各个相的非厄米动力学

接着，作者进一步阐明非厄米动力学中的物理机制。首先，作者对波函数进行Z变换，并将其投影到广义布里渊区（GBZ）的广义波矢β上（图3a）。从Z变换结果可以看出，主导动力学的波函数显然是那些具有小|β|的波函数——这是趋肤效应在动力学演化中占主导地位的明显证据。其次，作者将波函数分解到OBC本征模上（图3a），得到OBC能谱中的演化收敛到具有最大虚部特征频率的模式的结果。最后，通过分析P(t)的振幅，强调B相到C相产生了非布洛赫PT破缺相到非布洛赫PT对称相的转变，也可以通过Lyapunov指数（见附录）刻画。

图3 通过GBZ和OBC本征模式理解非厄米动力学及其相变

最后，作者对该领域进行展望。实验观察到的体波单向传播、可调波放大和边界波捕获，提供了非常规的波动力学操控方式，可用于在可控和稳健的方式中引导、捕获和定向放大波，因此具有应用前景。这些特性对检测、成像、传输和其他信号处理技术的应用非常有益。作者的发现揭示了非厄米动力学的基本特征和对称性的关键作用，提供了对基础物理的见解，并为理解具有对称性增强的非平衡相铺平了道路——这是一个有待探索的新兴研究前沿。

香港浸会大学博士后李珍、中国科学技术大学物理学院博士生王立威为共同第一作者。香港浸会大学马冠聪教授和中国科学技术大学蒋建华教授为共同通讯作者。其他合著作者包括香港浸会大学博士生王绪隆、苏州大学博士林志康。该研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏高校优势学科建设工程资助项目以及香港研究资助局的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50776-1

中国科大苏州高研院为论文共同通讯单位。

                                                                                                                                                                         （生物医学工程学院、科研部）