トポロジカル位相保護はサブまで続く

国際研究チームが物理学に画期的な進歩をもたらす

国立科学研究研究所 - INRS

画像: 対称性が保護されたトポロジカル相 (SPT 相) の摂動を分類する概略図。 赤、灰色、緑の線で囲まれた重複領域は、トポロジカルな不変状態と対応するトポロジカル境界状態を特徴とする対称性が保護されたトポロジカル位相を表します。 灰色の線は、境界状態に影響を与えるものの、システム全体の位相的不変条件を壊さない一連の摂動です。 赤と緑の線領域は、それぞれに関連付けられた部分対称性によって保護された境界状態を示します。 図示の例は、部分対称性は満たしますが、システム全体のトポロジー的不変条件を破壊する 2 組の摂動を示しています。 この場合、部分対称性によって境界状態が保護されます。もっと見る

クレジット: Domenico Bongiovanni と共著者

中国の南開大学とクロアチアのザグレブ大学の研究者が率いる国際チームは、ロベルト・モランドッティ率いるカナダの国立科学研究所（INRS）のチームとともに、トポロジカルの研究において重要な進歩を遂げた。段階。 彼らの発見は最近、Nature Publishing Group が発行する雑誌 Nature Physics に掲載されました。

過去 10 年間、トポロジカル フォトニクスは、堅牢性と安定性の点で高性能の光操作を実現するという独自の見通しにより、ますます注目を集めてきました。 トポロジカルフォトニクスの発見により、障害や欠陥の影響を受けないトポロジカルに保護された状態を特徴とする、トポロジカルレーザーやキャビティなどの新世代のフォトニクスデバイスの開発への道が開かれました。 物理学におけるトポロジーの概念は数学から受け継がれており、トポロジーは連続変形下でも保存される量に関する物体の幾何学的特性を研究するために使用されます。 2 つのオブジェクトは、一方の表面を他方の表面に連続的に変形できる場合、またはその逆の場合、トポロジー的に同一です。たとえば、コーヒー カップとトーラスはトポロジーの観点からは等価です。 物理学では、トポロジーの概念はエネルギーバンドの特性を記述するために使用され、物質やさまざまなトポロジー材料の新しいトポロジー状態の予測につながります。 異なる位相（自明および非自明）は、量子化された位相不変量を適切に導入することによって区別されます。これにより、「バルク境界対応」として知られる、バルク特性とこれらの材料の境界における特徴の出現との間のリンクを確立することが可能になります。 この点において、非自明なトポロジの最も際立った特徴は、特定の空間的および/または固有の対称性によって保護された堅牢なトポロジカル境界状態の存在です。

一般に、対称性が保護されたトポロジカル位相 (SPT フェーズ) のシステムでは、トポロジカル境界状態、トポロジカル不変量、および 1 つ以上の全体的な対称性の間の密接な関係が、摂動に対するトポロジカル保護を維持するために不可欠であると考えられています。 結果として、トポロジー的不変条件とトポロジー的境界状態の両方は、基礎となる対称性を壊す歪みによって回復不能な影響を受けます。 この研究において、国際研究チームはこの伝統的な通念に異議を唱え、SPT 境界状態についての理解を広げました。 彼らは、たとえ系が量子化された位相不変量やある種の大域的対称性を持たなくなったとしても、位相境界状態はいわゆる「部分対称性」によって保護され、対応する部分空間に依然として存在し得ることを発見した。

「私たちの発見は、トポロジーにおける対称性が保護されたトポロジー的位相という一般的な考え方に疑問を投げかけ、トポロジー的不変状態と境界状態の対応を新たにします」と主な研究者の一人であり、INRS-EMTのポスドク研究員であるドメニコ・ボンジョバンニ氏は述べた。 「私たちのアイデアは、多くの型破りな状態のトポロジカルな起源を説明できる可能性があり、さまざまなプラットフォームや物理システムに応用できる可能性があります。」

研究者らは、部分対称性の概念を導入し調査することにより、従来の意味での大域的対称性がトポロジカル境界状態の保護に完全に必要ではないことを発見しました。 この点に関して、位相全体の不変条件がもはや存在しない場合でも、特定の部分空間の対称性が満たされている限り、位相境界状態は保存されます。 研究チームは、異なる部分空間の対称性の条件を満たすために、CWレーザー書き込み技術を使用してフォトニック格子構造を巧みに設計および製造した。 この実験では、1 次元 SSH 格子と 2 次元 Kagome 格子という 2 つの最も典型的なトポロジカル格子を使用した概念実証が実証されました。 さらに、チームは長距離結合対称性の概念をカゴメ格子モデルに革新的に導入し、カゴメ格子における高次トポロジカル状態の存在とトポロジカル保護に関する現在の論争を解決しました。

この研究は、対称性によって保護されたトポロジカル状態の従来の理解に挑戦するだけでなく、さまざまな物理的背景におけるトポロジカル状態の研究と応用に新しいアイデアを提供します。 この研究の影響により、トポロジカルフォトニクスとその最先端の学際分野の開発、さらには部分対称性で保護された境界状態に基づく新世代のトポロジカルフォトニクスデバイスの研究開発がさらに促進されることが期待されます。

この研究について

記事 "部分対称性が保護されたトポロジカル状態 Ziteng Wang、Xiangdong Wang、Zhichan Hu、Domenico Bongiovanni、Dario Jukić、Liqin Tang、Daohong Song、Roberto Morandotti、Zhigang Chen、Hrvoje Buljan による論文が Nature Physics 誌に掲載されました。 この研究は、国家重点研究開発プログラムと中国国家自然科学財団、クロアチア政府と欧州連合が共同出資したQuantiXLieセンター・オブ・エクセレンス、およびカナダ自然科学工学研究評議会（NSERC）から資金援助を受けた。 ）およびカナダリサーチチェアプログラム（CRC）。

自然物理学

10.1038/s41567-023-02011-9

ニュース記事

適用できない

部分対称性で保護されたトポロジカル状態

2023 年 4 月 17 日

免責事項: AAAS と EurekAlert! EurekAlert! に投稿されたニュース リリースの正確性については責任を負いません。 貢献機関による、または EurekAlert システムを介した情報の使用。