物理

物理学を学ぶ人なら誰でも、光学の最初の授業で、光は他の光線の影響を受けずに直線的に移動すること、つまり 2 つの懐中電灯からの光線が互いに反射しないことを知っています。 しかし、ドイツのフリードリッヒ・シラー大学イエナ校のマーティン・ウィマー氏らは、いわゆる合成次元に基づく技術を使用して、相互作用し集合的に超流動体として動作する光のパルスを作成した[1]。 そうすることで、彼らはこれが、物理学の多くの分野の中心となる機能である多体相互作用、トポロジー、散逸の間の相互作用を探索するための調整可能なプラットフォームであることを実証しました。

これらの実験にとって重要な合成次元を理解するには、空間の通常の次元が「局所性」の概念と組み合わされた一連の位置によって定義されることに注意してください。つまり、粒子は近くの位置とのみ相互作用し、移動することができます。 合成次元は、非空間自由度を使用してこの局所性を再現するため、空間次元と比較してエンジニアリングと測定に大きな柔軟性を提供する可能性があります。 研究者らはこれまで、多くのプラットフォームに合成次元を実装することでこれらの利点を活用し、スピン軌道結合や多数のトポロジカル現象などの刺激的な物理学の研究に使用してきました[2、3]。

光の合成次元を実現するために、Wimmer らは光学メッシュ格子を使用します。これは、光パルスの到着時間が位置のアナログとして機能する実験設定です (図 1)。 彼らの実験では、時間が間隔 T に分割され、各間隔は離散時間ステップ t=1,2,… を表します。 格子上のサイトに対応する離散位置 (x=…,-2,-1,0,-1,2,…) は、Δt だけ互いに分離された部分間隔としてこの時間シーケンスにマッピングされます。 たとえば、T に到着するパルスは格子位置 x=0 を表し、T-Δt に到着するパルスは x=-1 を表します。 ある格子位置から別の格子位置への移動（例えば、－１から－２）は、Ｔに対する光パルスの到着時間の変化（この場合、Ｔ－ΔｔからＴ－２Δｔ）に対応する。 このプロセスは実空間の動きを模倣します。粒子は近くの点を通過することによってのみ空間内を移動できるため、合成次元におけるその類似物は近くの格子サイトにのみ移動できます。

このような動きを合成次元で実装するために、研究者らは、わずかに異なる長さの光ファイバーケーブルの 2 つのループをビームスプリッターを介して結合します。 光は、時間 T-Δt で短いループの周りを伝播し、T+Δt で長いループの周りを伝播します。 したがって、合成位置 x および合成時間ステップ t の光パルスは、短いループまたは長いループを通過すると、それぞれ時間ステップ t+1 で x-1 または x+1 にシフトされます。 パルスがループを完了すると、ビーム スプリッターはパルスを 2 つの等しい部分に分割し、両方のループを通過します。

この合成動作自体はそれほど興味深いものではありませんが、合成次元が実現される特定の物理システムにより強力な機能が可能になります。 ここで、実験で使用されたファイバーの非線形誘電応答により、出力に依存する位相シフトが生成されます。これは、複数の光パルスがループ内で重なるときに相互作用することを意味します。 これらの相互作用により、システムの挙動が理想気体の挙動から流体のような特性を持つものに変化します。 このような光と光の相互作用を示す光学メッシュ格子は、これまでソリトン [4, 5] や非エルミート トポロジー効果 [6-8] などの現象を研究するために使用されてきましたが、相互作用や運動から生じる流体特性、特に超流動流れのようなものは、これまで観察されていませんでした。

Wimmer らは、この光の流体における「音」の速度を測定しました。ここで、音とは合成次元で伝播する波を指します。 彼らのテクニックは、池に石を落とすのと似ています。池の水の一部をはじくことによって石が波紋を引き起こし、その波紋が水の波の速度で広がります。 この実験では、「池」は約 10 の合成サイトにまたがるほぼ均一な流体です。 「石」は、研究者らが流体の中心のいくつかの部位の周囲に生成する反発力です。 この斥力は光の波紋を生成し、光の波紋は合成次元内で光超流体の音速で外側に伝播します。 波紋がどのように伝播するかの測定は、流体力学理論と定性的に一致しています (実験上の不完全さによる可能性のある多少の偏差はあります)。 具体的には、光は超流体のように作用し、散逸することなく障害物を通過します。