Physiker entwickeln eine Linear-Response-Theorie für offene Systeme mit Ausnahmepunkten

Lineare Analysis spielt eine zentrale Rolle in Wissenschaft und Technik. Selbst wenn es um nichtlineare Systeme geht, ist das Verständnis der linearen Reaktion oft entscheidend, um einen Einblick in die zugrunde liegende komplexe Dynamik zu erhalten. In den letzten Jahren gab es ein großes Interesse an der Untersuchung offener Systeme, die Energie mit einem umgebenden Reservoir austauschen. Insbesondere wurde gezeigt, dass offene Systeme, deren Spektren nicht-hermitische Singularitäten aufweisen, die als außergewöhnliche Punkte bezeichnet werden, eine Vielzahl faszinierender Effekte mit potenziellen Anwendungen beim Bau neuer Laser und Sensoren aufweisen können.

An einem außergewöhnlichen Punkt werden zwei oder-Modi genau identisch. Um dies besser zu verstehen, lassen Sie uns betrachten, wie Trommeln Klänge erzeugen. Die Membran der Trommel ist entlang ihres Umfangs fixiert, kann aber in der Mitte frei schwingen.

Dadurch kann sich die Membran auf unterschiedliche Weise bewegen, die jeweils Mode genannt werden und eine andere Schallfrequenz aufweisen. Wenn zwei verschiedene Moden mit derselben Frequenz schwingen, werden sie als entartet bezeichnet. Ausnahmepunkte sind ganz eigentümliche Entartungen in dem Sinne, dass nicht nur die Frequenzen der Moden identisch sind, sondern auch die Schwingungen selbst. Diese Punkte können nur in offenen, nicht-hermitischen Systemen existieren, ohne Entsprechung in geschlossenen, hermitischen Systemen.

In den vergangenen Jahren hat die Ad-hoc-Analyse der Streukoeffizienten von nicht-hermiteschen Systemen mit Ausnahmepunkten ein rätselhaftes Ergebnis ergeben. Manchmal kann ihr Frequenzgang (das Verhältnis zwischen Ausgangs- und Eingangssignalen nach der Interaktion mit dem System als Funktion der Frequenz des Eingangssignals) Lorentz- oder Super-Lorentz-Verläufe sein (dh ein Lorentz-Verlauf, der auf eine ganzzahlige Potenz erhoben wird). Im Gegensatz dazu ist die Reaktion eines standardmäßigen linearen, isolierten Oszillators (mit Ausnahme von Situationen, in denen Fano-Linienformen auftreten können) immer Lorentzsch.

Ein internationales Team von Physikern unter der Leitung von Ramy El-Ganainy, außerordentlicher Professor an der Michigan Technological University, hat sich kürzlich mit diesem Problem befasst Naturkommunikation Artikel mit dem Titel „Lineare Reaktionstheorie offener Systeme mit Ausnahmepunkten.“ Das Team präsentiert eine systematische Analyse der linearen Antwort von nicht-hermiteschen Systemen mit Ausnahmepunkten. Wichtig ist, dass sie einen Ausdruck in geschlossener Form für den Auflösungsoperator ableiten, der die Reaktion des Systems in Bezug auf die rechten und linken Eigenvektoren und kanonischen Jordan-Vektoren quantifiziert, die dem zugrunde liegenden Hamilton-Operator zugeordnet sind.

„Im Gegensatz zu früheren Erweiterungen des Auflösungsoperators in Bezug auf den Hamilton-Operator selbst bietet der hier entwickelte Formalismus einen direkten Zugang zur linearen Antwort des Systems und zeigt genau, wann und wie Lorentz- und Super-Lorentz-Antworten entstehen“, sagt Prof. El -Ganainy.

„Wie sich herausstellte, wird die Art der Reaktion durch die Erregungs- (Eingangs-) und Sammel-(Ausgangs-)Kanäle bestimmt“, sagt Amin Hashemi, der Erstautor des Manuskripts. Die vorgestellte Theorie beschreibt dieses Verhalten im Detail und ist generisch genug, um auf alle nicht-hermiteschen Systeme angewendet zu werden, die eine beliebige Anzahl von Ausnahmepunkten beliebiger Ordnung aufweisen, was sie zu einem Instrument für die Untersuchung nicht-hermitescher Systeme mit großen Freiheitsgraden macht.