Non-Hermitian swallowtail catastrophe revealing transitions among diverse topological singularities

物理 厄米矩阵 奇点 退化(生物学) 特征向量 引力奇点 哈密顿量(控制论) 拓扑(电路) 量子力学 数学分析 数学 组合数学 生物信息学 生物 数学优化
作者
Jing Hu,Ruo-Yang Zhang,Yixiao Wang,Xiaoping Ouyang,Yifei Zhu,Hongwei Jia,C. T. Chan
出处
期刊:Nature Physics [Nature Portfolio]
卷期号:19 (8): 1098-1103 被引量:22
标识
DOI:10.1038/s41567-023-02048-w
摘要

Exceptional points are a unique feature of non-Hermitian systems at which the eigenvalues and corresponding eigenstates of a Hamiltonian coalesce. Many intriguing physical phenomena arise from the topology of exceptional points, such as bulk Fermi arcs and the braiding of eigenvalues. Here we report that a structurally richer degeneracy morphology, known as the swallowtail catastrophe in singularity theory, can naturally exist in non-Hermitian systems with both parity–time and pseudo-Hermitian symmetries. For the swallowtail, three different types of singularity exist at the same time and interact with each other—an isolated nodal line, a pair of exceptional lines of order three and a non-defective intersection line. Although these singularities seem independent, they are stably connected at a single point—the vertex of the swallowtail—through which transitions can occur. We implement such a system in a non-reciprocal circuit and experimentally observe the degeneracy features of the swallowtail. Based on the frame rotation and deformation of eigenstates, we further demonstrate that the various transitions are topologically protected. A characteristic feature of non-Hermitian systems is an exceptional point at which eigenvalues and eigenstates coalesce. They also support richer degeneracies—a swallowtail catastrophe—that reveals transitions among three different types of singularity.

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