自分自身に観察される創発的な行動

Sep 25, 2023

2023 年 1 月 18 日

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サム・ショルティス著、ペンシルベニア州立大学

特別に構造化されたガラスを通して強制的に相互作用する光の粒子、つまりフォトンは、「分数量子ホール効果」を思い起こさせる挙動を示します。この現象は、電子を使って実証され、1998 年にノーベル物理学賞を受賞しました。 ペンシルバニア州立大学の研究チームは、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「細分化」されることを実証しました。これは、複雑な環境から現れる物理学の基本的な理解をさらに深める創発的な特性です。

「電子は荷電粒子であり、その電荷は自然界の基本的な定数です」と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ミカエル・レヒツマン氏は述べた。 「分数量子ホール効果では、特定の条件下で相互作用する電子が、その電荷の一部をもつ粒子のように動作し、より堅牢な量子コンピューティングに使用できる可能性があることが示されました。私たちは今、基本的にはそうではあるものの、次のような現象を実証しました。電子版とは異なり、光自体と相互作用する光では異なる種類の分断が発生する可能性があることを示唆しています。」

電子とは異なり、光子は電荷を持たないため、通常は相互作用しません。 ただし、十分な強度のレーザーがあり、そのパワーに応答する材料を通過させると、材料が光子間の相互作用を効果的に仲介するため、光子は相互作用しているかのように動作します。 言い換えれば、光子は物質に影響を与えることによって互いに影響を及ぼします。 研究者らは、光子が「ソリトン」と呼ばれる物体に固まるように、光ファイバーのように内部を通過する複雑な構造の「導波路」の配列を備えた特殊なガラスという材料を設計している。

「通常、レーザーからの光は光源から広がるか回折しますが、ソリトンは回折しません」とレヒツマン氏は言う。 「それらは一定の幅を維持しながら光の速度のような速度でガラスを通って前方に伝播します。」

導波管は、2 次元の繰り返し単位で作成されます。 まず、光ファイバーに似た個々の導波路が、進行する光の方向に沿って周期的に繰り返されるジグザグのパターンでガラス内を小刻みに動きます。 第 2 に、互いに同一のこれらのファイバーのグループがガラスを横切ってレーザー ビームの両側に繰り返されます。

研究者らは、比較的低出力のレーザーを使った以前の研究で、ソリトンがガラスを通って伝播する際に、導波路のパターンを整数倍で飛び越えることができることを示した。 彼らは 2 単位右に移動し、1 単位前に移動する可能性があります。これは 2 対 1 の変更、つまり「プラス 2」になります。 あるいは、たとえば、「負の 1」の変更のために 1 単位左にジャンプし、1 単位前にジャンプすることもできますが、その変更は常に整数でした。

「現在、レーザーの出力を増加させることで、わずかな変化が見られます」とレヒツマン氏は語った。 「したがって、ソリトンは 2 単位進む間に 1 単位だけ移動する可能性があります。これは 2 単位または半分の変化です。興味深いのは、電子と光子はまったく異なる粒子であり、測定している特性もまったく異なるにもかかわらずです。どちらの場合も、粒子をますます強く相互作用させると、細分化が見られます。残念ながら、これを知ったからといって自動的に光ファイバーケーブルが良くなるわけではありませんが、この創発的な特性を光の中で見ると、これまでに見られた創発的な特性を思い出します。電子における研究は、複雑な物理環境における新たな出現現象をより深く理解するのに役立っています。」

この実験を説明した論文は、1月12日付けでNature Physics誌に掲載される。

詳しくは： Marius Jürgensen 他、量子化フラクショナル Thouless によるソリトンのポンピング、Nature Physics (2023)。 DOI: 10.1038/s41567-022-01871-x

雑誌情報:自然物理学

ペンシルバニア州立大学提供