フォトニクス：ジャイロ磁気ゼロインデックス媒質におけるバルク–時空間渦対応

光学的なダブルゼロインデックス媒質は、誘電率と透磁率が同時にゼロ値をとることが際立った特徴であり、自然界では見られない異例の特性を示す。注目すべきことに、ゼロインデックスの概念は、構成パラメーターをヌルスカラーから、行列要素が非ゼロであるが行列式はゼロである非相反テンソルに一般化することによって、実質的に拡張できる。今回我々は、ダブルゼロインデックスの特徴と非相反的特性の両方を併せ持つ、こうした種類のジャイロ磁気ダブルゼロインデックス・メタマテリアルを実験により実現した。このメタマテリアルは、本質的な性質として、トポロジカル相転移のスピン1/2ディラック点の所に常に出現する。我々は、時空間的な反射渦の特異点が常にこのメタマテリアルのディラック点に固定され、渦チャージは相転移間のトポロジカル不変な跳躍によって決定されることを発見し、実証した。これは、保護された境界効果を時間領域まで拡張し、トポロジカル相転移点を特徴とする、他に類を見ないバルク–時空間渦対応を確立するものであり、既存のいかなるバルク–境界対応とも一線を画している。我々はこの対応に基づいて、確実に固定された中心周波数および運動量を伴う光学的な時空間渦パルスを決定論的に発生させる機構を提案し、実験により実証することで、超ロバスト性を示した。今回の知見は、ゼロ屈折率フォトニクス、トポロジカルフォトニクス、特異点光学の間のつながりを明らかにするものであり、極端パラメーターのメタマテリアルが持つ固有のトポロジーを用いた、時空間トポロジカル光場の操作を可能にする可能性がある。

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