量子物理学：4D量子ホール物理のプローブとしてのフォトニックトポロジカル境界ポンピング

二次元（2D）電子ガスが垂直磁場の下に置かれると、その面内の横コンダクタンスが量子化される。これは、量子ホール効果と呼ばれており、系の電子バンド構造の非自明なトポロジーに起因し、この系では整数トポロジカル不変量（第一チャーン数）によって量子化ホールコンダクタンスが生じる。理論的には、量子ホール効果が4つの空間次元に一般化され得ることが示されているが、実験系が3つの空間次元に限定されているためこれまで実験的には実現されていない。今回我々は、調節可能な2Dフォトニック導波路アレイを用いて、動的に生成される四次元（4D）量子ホール系を実験的に実現した。アレイの導波路間の分離は、このデバイスを通る光の伝搬が、2つの追加的合成次元における運動量にわたってサンプリングするという方法で構築されるため、2Dトポロジカルポンプが実現される。結果として、バンド構造が4Dトポロジカル不変量（第二チャーン数と呼ばれる）を持ち、4D対称性を持つ量子化バルクホール応答が裏付けられた。有限サイズの系において、その4Dトポロジカルバルク応答を担うのは、合成運動量が変化すると試料を横断する局在エッジモードである。我々は、今回の系のエッジからエッジおよびコーナーからコーナーへの光子ポンピングを通して、この横断を直接観測した。こうした横断は、1つの三次元超曲面から空間的に逆の超曲面や、１つの2D超辺から別の2D超辺への4D系にわたる電荷ポンピングと等価である。今回の結果から、より高次元のトポロジカル物理を調べるプラットフォームが得られる。

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