光学・フォトニクス：光子に対する合成ランダウ準位

合成フォトニック材料は、微視的な量子ダイナミクスと巨視的な材料特性の境界領域を調べる新しいプラットフォームである。ローレンツ力を受ける光子には掌性が現れるため、量子ホール物理学やトポロジカル量子科学を研究する機会が得られる。本論文では、連続光子に対する磁場を実験的に実現したことを報告する。我々は、光学光子を多重モードリング共振器中に捕獲して、有質量ボソンの二次元気体を作り、次に非平面の幾何学的構造を用いて、往復するごとに像回転を生じさせた。この結果、光子のコリオリ/ローレンツ力と遠心力が生じ、磁場中と調和トラップ中の光子に対するFock–Darwinハミルトニアンが実現される。我々は、空間・エネルギー分解分光法を使って、その結果生じる光子固有状態を、動径捕獲を減少させつつ追跡し、最終的に、縮退した光子ランダウ状態を観測した。遠心極限でのトラップ不安定性の課題を回避するため、光子が円錐上を動くよう束縛した。分光プローブによって、円錐先端から離れると平坦な空間（曲率がゼロ）になることが実証された。円錐先端では、空間曲率によって局所状態密度が増大するのが観測され、Wen–Zee理論と一致する過剰な分数状態数が測定された。こうしたことから、磁場中と湾曲空間中の両方において電子に関するこの理論が実験的に検証された。今回の研究によって、幾何学的構造とトポロジーの相互作用を調べる扉が開かれ、リュードベリ電磁誘導透過と併せて、光子分数量子ホール流体の研究やエニオンの直接検出が可能になる。

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