2016 Fiscal Year Annual Research Report
トポロジカル相を活用した光ダイナミクスの時空間制御
Publicly Offered Research
| Project Area | Frontiers of materials science spun from topology |
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| Project/Area Number |
16H00975
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
小布施 秀明 北海道大学, 工学研究院, 助教 (50415121)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | フォトニックトポロジカル相 / 量子ウォーク / 光ダイナミクス / エッジ状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、光学系におけるトポロジカル相を活用することにより、光ダイナミクスの制御を行うための理論手法を確立することである。
光学系では、電子系とは異なり、フォトンまたはレーザー光強度の減衰や増幅の制御が可能である。そこで、減衰・増幅の効果を取り入れた1次元量子ウォークに対する、非ユニタリーな時間発展演算子のトポロジカル相について調べた。その結果、非ユニタリーな系においても、PT対称性という特殊な対称性がある場合、トポロジカル相に由来するエッジ状態が現れることが分かった。さらにこのエッジ状態は、他のバルク状態と比較し、大きな正の虚数エネルギーを持つことが分かった。このことを反映し、減衰の効果が非常に強い系においては、パラメーターによって、バルク状態の成分は時間と共に急速に減衰するが、エッジ状態の成分はほとんど減衰しないことが明らかとなった。この結果を用いると、系に光を入射すると、エッジ状態に対応するエネルギー成分のみを選択的に系に残すことが可能であることが期待される。
さらに、上記理論結果を実験的に検証するため、減衰の効果が強い量子ウォークの実験を、実験グループとの共同研究として行った。実験では、減衰の効果を高精度に制御することが可能な光学系を組み、さらにエンタングルしたフォトンを入射した。その結果、エッジ状態の成分のみを選択的に系に残すことなど上記理論予測と非常に良く一致する結果を得た。またこの実験結果は、PT対称な非ユニタリー系における量子効果を実験により調べた初めての結果としても重要である。
また、トポロジカル相が動的に変化する系におけるエッジ状態の安定性に関する予備的な研究を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
減衰効果のある量子ウォークの研究に関しては、本年度中に関連する論文がPhysical Review A誌やInterdisciplinary Information Sciences誌に掲載済である。また、エッジ状態の制御に関する理論論文と実験論文もすでに投稿しており、現在査読中である。特に、計画段階では実験グループへの理論提案を行うこととしていたが、共同研究として実験研究にも主体的に加わり、非常に重要な実験結果を得た。このことから、本研究は、当初の計画以上に進展していると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在のところ研究は非常に順調に推移しているため、減衰効果の量子ウォークに関しては、さらに研究発展させる方向で研究を推進していく。さらに、トポロジカル相が動的に変化する系におけるエッジ状態の安定性に関する研究を行う。
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[Presentation] Observation of edge states of Floquet topological phases in PT symmetric quantum walks2017
Author(s)
Hideaki Obuse, Ken Mochizuki, Dakyeong Kim, Norio Kawakami L. Xiao, X. Zhan, Z.H. Bian, K.K. Wang, X. Zhang, X.P. Wang, J. Li, W. Yi, B. Sanders, P. Xue
Organizer
International Conference on Topological Materials Science 2017 (TopoMat2017)
Place of Presentation
Tokyo Institute of Technology, Tokyo
Year and Date
2017-05-09 – 2017-05-13
Int'l Joint Research
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[Presentation] 散逸を伴う PT 対称な量子ウォークにおけるフロッケトポロジカル相の理論とエッジ状態の実験による観測2017
Author(s)
小布施 秀明, 望月 健, 金 多景, 川上 則雄, A.L. Xiao, B.X. Zhan, Z.H. Bian, K.K. Wang, X. Zhang, X.P. Wang, J.Li, W. Yi, P. Xue
Organizer
日本物理学会 第72回年次大会
Place of Presentation
大阪大学、大阪市
Year and Date
2017-03-17 – 2017-03-20
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