光物理学：量子化された非線形サウレスポンピング

波動輸送のトポロジカル保護は、もともとは二次元電子気体における量子ホール効果という観点から観測されたが、フォトニクスや光格子中の極低温原子などを含む、さまざまな物理的プラットフォームに広く当てはまることが示されている。とはいえ、そうした系の挙動は、特に粒子間相互作用や非線形性が大きな役割を果たす場合、電子の事例とは大きく異なる可能性がある。サウレスポンプは、量子ホール効果における輸送のトポロジカル量子化を、次元縮小の考えを用いて捉えた一次元モデルであり、断熱的に時間とともに変化するポテンシャルが、概念的な第二の次元における運動量座標に数学的にマッピングされる。重要なのは、量子化が、フェルミエネルギー未満の一様に満たされた電子バンドや、非平衡ボース粒子系の場合には同等の占有を前提としていることである。今回我々は、明らかに一様に占有されていないバンドを用いた光子の量子化非線形サウレスポンピングを理論的に提案し、実験的に実証している。今回の系では、非線形性が作用して、ソリトン形成と、対称性を破る自発的な分岐を介して輸送が量子化される。量子化は、所定の単位セルを中心とする瞬間的なソリトン解が、各ポンプサイクル後に並進不変性に至るまで同一であるという事実から起こる。これは、従来のサウレスポンピングとは全く異なる機構である。今回の結果は、線形性を用いずに、非線形性と粒子間相互作用によって量子化輸送とトポロジカル挙動が生じ得ることを示している。

目次へ戻る