Observation of biased random-flux-induced topological phase transition in gyromagnetic photonic crystals

物理学の世界を、粒子が市民である巨大で賑やかな都市だと想像してみてください。長い間、科学者たちは、もしこの都市に十分な混沌（例えば、ランダムに動く建物や道路のルールの変更など）を投げ込めば、市民は道に迷い、動けなくなってしまうと考えてきました。これは「無秩序（ディスオーダー）」と呼ばれ、通常は物事を混乱させ、停滞させてしまいます。しかし、ここ数十年間、「トポロジー」と呼ばれる魅力的な新しい概念が、この常識を覆しました。トポロジーを建物の形ではなく、「道の形」として考えてみてください。コーヒーマグとドーナツは、どちらも一つの穴を持っているため、トポロジー的には同じです。どちらも破ることなく一方を他方へと引き伸ばすことができます。物理学において、これは粒子の特定の経路が非常に「結び目状」になっており、周囲の都市が多少乱れていても、簡単に壊すことができないことを意味します。

通常、これら特別な、壊れない経路を作るためには、完璧に振り付けられたダンスのように、非常に精密で完璧なパターンを作る必要があります。また、「時間反転対称性」というルール（ダンスが常に前進し、決して後ろに戻らないようにすること）を破る必要もあります。科学者が問い続けてきた大きな疑問は、「もしダンスフロア自体がめちゃくちゃだったらどうなるか？」ということです。ダンスのルールがランダムに入れ替わったとしても、これらの特別な、壊れない経路を得ることはできるのでしょうか？ 私たちは、ある種の乱れが実際にこれらの特別な経路を作り出すことができると知っていますが、「磁気的な風（粒子を導く風）」の方向をランダムに入れ替えることで生じる乱れによって、これらがどのように変化するかについては、これまで誰も見たことがありませんでした。それは、ダムを新しく建設することなく、水を押す風の向きをランダムに入れ替えるだけで、川の流れを変えられるかどうかを問うようなものです。

これこそが、研究チームが今回行ったことです。彼らは、マイクロ波の光を制御するために、磁石の向きをランダムに混ぜ合わせるだけで制御できるかどうかを確かめるべく、「ジャイロマグネティック・フォトニック結晶」と呼ばれる、小さな金属棒と磁石で作られた特別な「都市」を構築しました。彼らは、光の振る舞いを強制的に切り替えることができることを発見しました。磁石を均等に混ぜ合わせると、特別な経路は消失し、光は中央で止まってしまいました。しかし、混ぜる割合を一方の方向にわずかに傾けると、経路が再び現れましたが、そこには「ひねり」がありました。光は逆方向に流れ始めたのです！

研究者たちは、ハルデン・モデルとして知られる理論的モデルからスタートしました。これは、「磁気的な風（フラックス）」が粒子を円形に押し流す都市の設計図のようなものです。完璧な都市では、すべての風が同じ方向に吹き、粒子のための一方通行の道路を作り出します。チームは、この「めちゃくちゃなバージョン」の都市を作ることにしました。彼らは、時計回りに風を押し出すように磁化された一組のロッドと、反時計回りに風を押し出すように磁化されたもう一組のロッドを使用しました。そして、これらのロッドを様々な比率で混ぜ合わせました。

主に時計回りのロッドがあるとき、光は一方向に円を描いて流れます。主に反時計回りのロッドがあるときは、光は逆方向に流れます。しかし、最もエキサイティングな部分は、それらがちょうど50/50で混ざり合ったときに起こりました。時計回りのロッドによる「風」と、反時計回りのロッドによる「風」が互いに打ち消し合ったのです。その結果、あの特別な一方通行の道路は完全に消滅しました。光は経路を見つけることができず、まるで道のない車のように、都市の中央で立ち往生してしまいました。これは、「無秩序（ランダムな混合）」が、実際にあの特別なトポロジカルな状態を破壊したことを証明しました。

しかし、片方のタイプのロッドをもう一方よりもほんのわずかに多く加えただけで、魔法が戻ってきました。光は再び経路を見つけましたが、それは最初のケースとは逆の方向へと流れていました。研究者たちはマイクロ波を用いてこれを測定し、混合比が20対80であれば光はサンプルの端に沿って時計回りに移動し、逆に混合比を8割対2割に入れ替えれば、光は端を伝って反時計回りに移動することを発見しました。

彼らは、50/50の地点における中央部でもチェックを行いました。彼らの測定によれば、「バルク伝送（中央部分での伝送）」、つまり光がサンプルの中心をどれだけよく移動できるかという数値はほぼゼロにまで低下しました。これは、エネルギー準位のギャップが閉じたことを意味します。これにより、システムが特別なトポロジカルな保護を失ったことが確認されました。チームは「近接場測定（ニアフィールド・メジャーメント）」という技術を用いて、点ごとに光がどのように動くかを実際に観察し、その反転現象を目の当たりにしました。

この実験は大きな意味を持ちます。なぜなら、特別な状態を作り出すために、完璧で欠陥のない結晶を作る必要はないことを示しているからです。むしろ、無秩序そのものをツールとして使い、異なる種類のトポロジカル相を切り替えることができるのです。それは、ダムを作るのではなく、北風と南風の比率を変えるだけで川の流れを変えられることを発見するようなものです。研究者たちは、磁石の濃度を調整するだけで、システムを相転移させ、ギャップを閉じ、反対の「カイラリティ（手利き性）」を持つ状態で再び開くことができることを示しました。

この研究は、「バイアスのかかったランダム・フラックス（偏りのあるランダムな磁束）」が、ボゾン系（光のような粒子からなる系）を制御するためのユニークなメカニズムであることを示唆しています。チームは事前にコンピュータ上でシミュレーションを行いましたが、25×20個のロッドを用いた実世界の実験によってそれを確認しました。彼らは、「負の」フラックスを持つロッドの濃度が臨界点（およそ50%付近）を横切ったときに、転移が起こることを突き止めました。この点より前では、システムはある種の端状態を持つトポロジカル絶縁体として機能し、この点を過ぎると、逆の端状態を持つトポロジカル絶縁体として機能しました。ちょうど真ん中のバランス状態では、システムは特別な端状態を全く持たない、通常の絶縁体となりました。

この成果は単に理論を証明しただけではありません。それは、将来のデバイスの構築方法における新しい扉を開くものです。完璧で欠陥のない材料を作ろうとする代わりに、無秩序を自分たちの強みとして利用するシステムを設計できるかもしれません。もし「無秩序の偏り」を制御できれば、材料の配合を微調整するだけで、情報の流れやエネルギーの流れをオン・オフしたり、あるいは逆転させたりすることができるのです。研究者たちは、無秩序とトポロジーがどのように相互作用するかを探求するための堅牢なプラットフォームを提供し、時には、少しの混沌こそが、本当に秩序ある特別なものを作り出すために必要なのだということを示しました。