Nonlinear Exceptional Points with a Complete Basis in Dynamics

特征向量 非线性系统 哈密顿量(控制论) 双正交系统 物理 引力奇点 聚结(物理) 数学分析 量子力学 数学 计算机科学 数学优化 小波变换 人工智能 天体生物学 小波
作者
Kai Bai,Jiazheng Li,Tian-Rui Liu,Liang Fang,Duanduan Wan,Meng Xiao
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:130 (26) 被引量:4
标识
DOI:10.1103/physrevlett.130.266901
摘要

Exceptional points (EPs) are special spectral singularities at which two or more eigenvalues, and their corresponding eigenvectors, coalesce and become identical. In conventional wisdom, the coalescence of eigenvectors inevitably leads to the loss of completeness of the eigenbasis. Here, we show that this scenario breaks down in general at nonlinear EPs (NEPs). As an example, we realize a fifth-order NEP (${\mathrm{NEP}}_{5}$) within only three coupled resonators with both a theoretical model and simulations in circuits. One stable and another four auxiliary steady eigenstates of the nonlinear Hamiltonian coalesce at the ${\mathrm{NEP}}_{5}$, and the response of eigenfrequency to perturbations demonstrates a fifth-order root law. Intriguingly, the biorthogonal eigenbasis of the Hamiltonian governing the system dynamics is still complete, and this fact is corroborated by a finite Petermann factor instead of a divergent one at conventional EPs. Consequently, the amplification of noise, which diverges at other EPs, converges at our ${\mathrm{NEP}}_{5}$. Our finding transforms the understanding of EPs and shows potential for miniaturizing various key applications operating near EPs.
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