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物理学 > 光学

arXiv:2511.13831 (physics)
[提交于 2025年11月17日 ]

标题: 量子蜕变:可编程的涌现与多尺度系统中体-边二分法的瓦解

标题: Quantum Metamorphosis: Programmable Emergence and the Breakdown of Bulk-Edge Dichotomy in Multiscale Systems

Authors:Mahmoud Jalali Mehrabad, Alireza Parhizkar, Lida Xu, Gregory Moille, Avik Dutt, Dirk Englund, Kartik Srinivasan, Daniel Leykam, Mohammad Hafezi
摘要: 多尺度协同作用——系统不同特征长度、时间和能量尺度之间的相互作用——正在成为许多当代科学分支中的统一线索。 从莫尔和超莫尔材料以及冷原子到DNA模板超晶格和嵌套光子网络,多尺度协同作用产生了在任何单一尺度上都无法获得的行为。 然而,缺乏一个能编程跨尺度相互作用以操控频谱、输运和拓扑的一般框架。 在此,我们将多尺度协同作用从副产品提升为新兴现象的通用设计原则。 具体而言,我们引入了一个可编程尺度的分层嵌套晶格(HNL)框架,该框架可以容纳量子形态变化(QuMorph)——一种由无量纲可调参数$α$(相对跃迁)控制的系统依赖特征的连续演化。 作为示例,我们展示了一个HNL,在其中随着$α$的变化,频谱从整数量子霍尔类似状态演变为异常量子霍尔类似状态,并经过一个具有大量小间隙的茧状区域。 这种多尺度混合产生了多种新现象,包括混合边缘-体态、尺度依赖拓扑、拓扑嵌入的平带以及孤立的边缘带。 我们提出了一种可行的光子实现方法,使用商用耦合谐振器阵列,概述了空间-频谱特征以映射QuMorph,并探索了多时间尺度非线性光学的应用。 我们的工作建立了一个可扩展和可编程的范式,用于工程多尺度的新兴现象。
摘要: Multiscale synergy -- the interplay of a system's distinct characteristic length, time, and energy scales -- is becoming a unifying thread across many contemporary branches of science. Ranging from moiré and super-moiré materials and cold atoms to DNA-templated superlattices and nested photonic networks, multiscale synergy produces behaviors not obtainable at any single scale alone. Yet a general framework that programs cross-scale interplay to steer spectra, transport, and topology has been missing. Here, we elevate multiscale synergy from a byproduct to a general design principle for emergent phenomena. Specifically, we introduce a scale-programmable framework for hierarchically nested lattices (HNLs) that can host quantum metamorphosis (QuMorph) -- a continuous evolution between system-dependent features governed by a dimensionless tunable parameter $α$ (the relative hopping). To exemplify, we show an HNL, in which as $α$ changes, the spectrum metamorphoses from integer quantum Hall-like to anomalous quantum Hall-like, passing through a cocoon regime with proliferating mini-gaps. This multiscale mixing yields multiple novel phenomena, including hybrid edge-bulk states, scale-dependent topology, topologically embedded flat bands, and isolated edge bands. We propose a feasible photonic implementation using commercially available coupled-resonator arrays, outline spatial-spectral signatures to map QuMorph, and explore applications for multi-timescale nonlinear optics. Our work establishes a scalable and programmable paradigm for engineering multiscale emergent phenomena.
评论: 15 + 26页,5 + 12幅图
主题: 光学 (physics.optics) ; 无序系统与神经网络 (cond-mat.dis-nn); 中尺度与纳米尺度物理 (cond-mat.mes-hall); 模式形成与孤子 (nlin.PS); 量子物理 (quant-ph)
引用方式: arXiv:2511.13831 [physics.optics]
  (或者 arXiv:2511.13831v1 [physics.optics] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2511.13831
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Alireza Parhizkar [查看电子邮件]
[v1] 星期一, 2025 年 11 月 17 日 19:00:05 UTC (26,217 KB)
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