初めて、研究者らが光が量子ホール効果のように振る舞うことを実証した。この現象はこれまで電子でのみ観測されていた。光子が今や基本定数によって決まる量子化されたステップで横方向にドリフトする。この画期的な成果は精密測定を向上させ、量子フォトニック技術を進展させる可能性がある。
ホール効果は、1800年代後半に発見され、直流電流が垂直磁場下で材料を流れるときに材料を横断する電圧が発生する現象である。これは磁場が負に帯電した電子を片側に偏向させ、電荷の蓄積と測定可能な電圧差を生むためである。科学者らは長年、この効果を用いて磁場を正確に測定し、材料のドーピングレベルを評価してきた。 nn1980年代、超薄膜導体を極低温と強磁場で実験した結果、量子ホール効果が明らかになった。ここでは横方向電圧が素材の詳細に依存せず、電子電荷とプランク定数だけで決まる明確なプラトー階層を形成する。この発見は1985年の量子ホール効果、1998年の分数版、2016年の関連トポロジカル物質相でノーベル物理学賞を受賞した。 nn光でこれを再現するのは、光子が電子と異なり電荷を持たず、電場や磁場に直接反応しないため困難だった。モントリオール大学を含む国際チームが、光の量子化された横方向ドリフトを観測することに成功した。彼らの研究はPhysical Review Xに掲載された。 nn「光は強い磁場下の電子で見られるような普遍的なステップに従って量子化された方法でドリフトする」とモントリオール大学の物理学教授で共同著者のPhilippe St-Jean氏は述べた。 nn量子ホール効果は現代の計測学の基盤であり、こうしたプラトーから得られる電気抵抗規格で較正された電気機械装置により基本定数でキログラムを定義するなどである。St-Jean氏は「現在、キログラムは質量に対する電流を比較する電気機械装置を用いて基本定数で定義されている。この電流を完璧に較正するためには、電気抵抗の普遍規格が必要だ。量子ホールのプラトーがまさにそれを提供する」と指摘した。 nnこの光版は、光学参照を提供し、電子版を補完または置き換える可能性がある。また、量子情報処理や堅牢なフォトニックコンピュータを支えるかもしれない。量子化からの小さな偏差は環境変化を検知する高感度センサーを可能にする。 nnSt-Jean氏は「光の量子化ドリフトの観測は、光子系が本質的に非平衡であるため独特の挑戦だ。電子とは異なり、光は精密な制御・操作・安定化を要求する」と付け加えた。この成果は情報伝送・処理のためのフォトニックデバイス新設計を示唆する。」
