自己共振する光で観測された創発的な振る舞い(Emergent behavior observed in self-interacting light)

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2023-01-17 ペンシルベニア州立大学(PennState)

 ペンシルバニア大学ユニバーシティパーク校は、特殊な構造をもつガラスを通して相互作用を強いられる光の粒子(光子)が、「フラクショナル量子ホール効果」を想起させる挙動を示すことを明らかにした。ペンシルベニア州立大学の研究チームは今回、非常に強力なレーザーからの光の動きが、ガラスを通過する際に「分数化」することを実証し、複雑な環境から生じる物理学の基礎的理解を深めることができた。
ペンシルベニア州立大学物理学准教授で研究チームのリーダーであるマイケル・レヒツマン氏は、「電子は荷電粒子であり、その電荷は自然界の基本定数です」と述べています。”分数量子ホール効果 “では、ある条件下で相互作用する電子が、その電荷の何割かを持った粒子のように振る舞うことが示され、より頑健な量子コンピューティングに利用できる可能性があることが示されました。
電子と違って、光子は電荷を持たないので、通常、互いに相互作用しません。しかし、十分な強さのレーザーを、そのパワーに反応する物質に通すと、物質が光子の相互作用を効果的に仲介するため、光子はあたかも相互作用しているように振る舞います。つまり、光子は材料に影響を与えることで、互いに影響し合うのです。研究者らは、光ファイバーのように複雑な構造の「導波路」を持つ材料特化型ガラスを設計し、光子がまとまって「ソリトン」と呼ばれる物体になるようにした。
「通常、レーザーからの光は光源から広がっていく、つまり回折するのですが、ソリトンは回折しません。「ソリトンは、一定の幅を保ちながら、光速のような速度でガラスを伝わっていくのです」。
導波路は、2次元の繰り返し単位で作られている。まず、光ファイバーに似た個々の導波路は、ジグザグとザグのパターンでガラスをくねりながら、光の進行方向に沿って周期的に繰り返される。第二に、互いに同一の光ファイバー群が、ガラスを横切ってレーザー光の両側に繰り返される。
研究者らは、比較的低出力のレーザーを用いた以前の研究で、ソリトンがガラスを伝播する際に、整数の倍数で導波路のパターンを飛び越えることができることを示した。例えば、右に2単位、前に1単位移動する。これは、1に対して2の変化、つまり「正の2」である。また、例えば、左に1ユニット飛び、前に1ユニット進むと、「マイナス1」の変化となるが、その変化は常に整数である。
「現在、レーザーの出力を上げることで、分数的な変化を見ることができます」とレヒトマンは言う。「つまり、ソリトンは1単位分進み、2単位分進むということです。興味深いのは、電子と光子は全く異なる粒子であり、測定している性質も全く異なるにもかかわらず、どちらの場合も粒子の相互作用を強くすると分数化が見られるということです。残念ながら、これを知ったからといって、光ファイバーケーブルが自動的に良くなるわけではありませんが、電子に見られる創発的な性質を彷彿とさせるようなこの光の創発的な性質を見ることは、複雑な物理環境における新しい創発現象の理解を深めるために役立っています。”
この実験を説明した論文は、1月12日にNature Physics誌に掲載されています。

<関連情報>

ソリトンの量子化分数Thoulessポンピング Quantized fractional Thouless pumping of solitons

Marius Jürgensen,Sebabrata Mukherjee,Christina Jörg & Mikael C. Rechtsman
Nature Physics  Published:12 January 2023
DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-022-01871-x

Abstract

In many contexts, interaction between particles gives rise to emergent phenomena. An example is the fractional quantum Hall effect, where the interaction between electrons leads to fractionally quantized Hall conductance. In photonic systems, the nonlinear response of an ambient medium mediates the interaction between photons, and, in the mean-field limit, these dynamics are described by the nonlinear Schrödinger (also called Gross–Pitaevskii) equation. It was recently shown that at weak nonlinearity, soliton motion in nonlinear Thouless pumps—a dimensionally reduced implementation of a Chern insulator—could be quantized to the Chern number, because solitons track the single-band Wannier function throughout the pumping cycle. Here using arrays of coupled optical waveguides, we show that a sufficiently strong nonlinearity fractionally quantizes the motion of solitons. Specifically, we find that the soliton follows maximally localized multi-band Wannier functions and therefore returns to itself only after multiple cycles of the Thouless pump—but displaced by an integer number of unit cells—leading to a rich fractional plateau structure describing soliton motion. Our results represent an example of emergent behaviour in topologically non-trivial systems in the presence of interactions.

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