量子现象的探索揭示了奇特物态和行为的丰富图景，尤其是在相互作用起主导作用的系统中。其中，冷里德堡原子气体已成为研究复杂多体物理的多功能平台，这得益于高激发态里德堡原子之间极其强烈的长程相互作用。近年来，该领域一个新兴的研究热点是非厄米物理，它带来了奇异点（Exceptional Points, EPs）和迟滞轨迹（hysteresis trajectories）的有趣观测，论文已发表在《自然·通讯》。

非厄米物理与奇异点

传统的量子力学主要在厄米哈密顿量的框架内运行，其中可观测量的结果是实数，能量本征值也总是实数。然而，真实世界的系统很少是完全孤立的。它们本质上是开放的，与环境相互作用，导致增益或损耗机制。这些相互作用可以通过非厄米哈密顿量的形式纳入系统描述中，此时本征值可以是复数。本征值的实部对应于能量，而虚部则描述了状态的衰减或增长率。

非厄米系统的一个标志性特征是存在奇异点（EPs）。与厄米系统中的简并不同，在厄米系统中，不同的本征态在简并时仍保持正交，而在EPs处，两个或多个本征值不仅简并，它们对应的本征向量也合并，变得线性相关。EPs的这种独特的拓扑特性产生了一系列反直觉的现象，包括对微扰敏感性增强、单向传播和手性行为。在参数空间中，绕行EP可以使状态完全演变回其初始配置，或者更引人注目地，演变到完全不同的状态，这表明了这些点周围独特的拓扑结构。

相互作用诱导的奇异点

在冷里德堡原子气体中，里德堡原子之间强大的长程范德华力或偶极-偶极相互作用自然地为系统的动力学引入了有效的非厄米特性。当激发高密度的里德堡原子时，强大的阻塞效应阻止了在一定体积内同时激发多个原子。这有效地为系统创建了一个耗散通道。设想一个原子试图跃迁到里德堡态。如果附近已经有另一个原子处于里德堡态，第一个原子的跃迁可能会受到抑制，或者由于强相互作用，其激发寿命会有效缩短。这种相互作用引起的损耗或退相干可以用系统哈密顿量中的非厄米项来描述。

最近在冷里德堡原子气体中对EPs的实验观测，为这种相互作用引起的非厄米性提供了令人信服的证据。实验通常采用电磁感应透明（EIT）方案，其中在强控制激光存在的情况下，探测激光探测基态到里德堡态的跃迁。在没有强里德堡相互作用的情况下，EIT导致吸收光谱中出现一个透明窗口。然而，随着里德堡原子密度或探测激光强度的增加，长程相互作用变得显著。

关键的见解是，当系统参数（例如，探测激光强度、失谐或原子密度）变化时，里德堡系综的有效哈密顿量可以扫过一个EP。这表现为EIT光谱的显著变化。最初，在弱相互作用下，可能会观察到一个透明窗口。随着系统接近EP，谱线开始展宽和合并。穿过EP会导致单个EIT峰分裂成两个不同的峰，表明有效能量本征值的出现分岔。至关重要的是，这种分裂的观测，以及峰的相对强度或宽度的变化，提供了系统已穿过EP的光谱特征。此外，在这些相互作用诱导的EPs处，已实验观察到电荷共轭宇称（CP）对称性破缺，这是非厄米系统的一个特征。

迟滞轨迹的观察

除了EPs的静态观测外，这些系统的动态行为，特别是它们的迟滞轨迹，提供了对其非厄米性质更深入的理解。迟滞现象是指系统的输出不仅取决于其当前输入，还取决于其历史。在非厄米系统中，这可能由于围绕EP的状态演化的非互易性而产生。

在冷里德堡原子气体的实验中，通过缓慢增加然后回溯某个关键参数（例如，探测激光强度），同时监测系统的响应（例如，探测光透射），可以观察到迟滞轨迹。当探测强度增加时，系统穿过一个EP，EIT光谱发生分岔。然而，当随后降低强度时，系统并不会沿着相同的光谱轨迹回溯。相反，在测量的透射或其他光谱可观测值中形成一个独特、封闭的循环——一个迟滞回线。这个迟滞回线所包围的面积是循环过程中耗散或获得的能量的直接量度，突出了系统由于其非厄米特性而产生的非保守动力学。对这些迟滞回线的观察和表征，包括其包围面积以及对扫描速率的依赖性，为强长程相互作用和非厄米物理之间动态相互作用提供了令人信服的证据。

研究意义

这些发现的意义超出了冷里德堡原子这一特定平台。首先，这些实验在强相互作用多体系统中实现了非厄米物理的实际演示。尽管非厄米哈密顿量已被理论探讨了数十年，但在如此受控和可调谐的环境中对其进行实验验证是至关重要的一步。其次，它强调了长程相互作用在产生涌现非厄米特性方面的深远影响。这挑战了我们对多体系统的传统理解，表明即使是看似耗散的过程，当由强相互作用驱动时，也可能导致丰富而复杂的非厄米动力学。

此外，在里德堡气体中工程和控制EPs和迟滞的能力为未来的研究和潜在应用开辟了令人兴奋的途径。例如，EPs附近增强的灵敏度可以用于开发高灵敏度传感器。围绕EPs的手性行为可能导致量子信息处理或单向光传播的新颖方案。理解和操纵这些非厄米特征也可以阐明其他复杂开放系统中的类似现象，从凝聚态物理到生物系统。