[論文レビュー] Superfluid Motion of Light

P. Lebœuf, Simon Moulieras|PubMed|Sep 15, 2010

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 31被引用数 25

ひとこと要約

本稿では、非線形光格子を用いた光の超流動的運動を提案および実証し、光の伝播を記述する離散的非線形シュレーディンガー方程式を用いる。光は臨界速度未満で散逸のない流れを示すが、それ以上の速度ではソリトン的およびフォノン様励起の放出によって破綻し、可変パラメータを持つ光学系における超流動性が確認される。

ABSTRACT

Superfluidity, the ability of a fluid to move without dissipation, is one of the most spectacular manifestations of the quantum nature of matter. We explore here the possibility of superfluid motion of light. Controlling the speed of a light packet with respect to a defect, we demonstrate the presence of superfluidity and, above a critical velocity, its breakdown through the onset of a dissipative phase. We describe a possible experimental realization based on the transverse motion through an array of waveguides. These results open new perspectives in transport optimization.

研究の動機と目的

• 非線形光媒において光の超流動的運動を明確な理論的証拠で提示すること。
• 局在的欠陥を用いた超流動性の臨界速度とその破綻を特定すること。
• これらの効果を観測可能な実験的設定を提案すること。
• 光的系と超低温原子ガスにおける超流動性との直接的類似性を確立すること。
• 非線形性および不規則性が光の超流動的輸送を可能にするか、あるいは妨げる役割を調査すること。

提案手法

• パラキシアル近似下での1次元波ガイドアレイにおける光の伝播を、離散的非線形シュレーディンガー方程式でモデル化する。
• 自己拡散型のKerr型非線形性（γ > 0）を用い、ボーズ＝アインシュタイン凝縮体における反発的相互作用を模倣する。
• 局在的欠陥ポテンシャル（U₀）を導入し、光パルスの障害物を模倣する。
• 透過効率の指標としての流動性要因を定義し、超流動的および散逸的領域の検出に用いる。
• 関数 K(x) = (1/(2√(2)x)) − (8x¹ − 20x² + 1 + (1 + 8x²)^{3/2})^{1/2} を含む非摂動的解析的解を用いて臨界速度 vc を計算する。
• 光パルスの時間発展を、異なる横方向速度および欠陥強度でシミュレートし、超流動的および散逸的ダイナミクスの遷移を観測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可変欠陥を有する非線形光媒において、光の超流動的運動を観測できるか？
• RQ2 光格子における超流動性の臨界速度は何か？ また、欠陥強度に依存するか？
• RQ3 臨界速度を超えると、超流動性を破綻させる主な散逸的メカニズムは何か？
• RQ4 流動性要因は、散逸のないから散逸のある光の伝播への遷移をどのように定量化するか？
• RQ5 超流動的挙動は連続媒質または不規則系へ一般化可能か？

主な発見

• 光パルスの横方向速度が臨界速度 vc 未満である場合、完全な透過とエネルギー損失なしに超流動的運動が観測される。
• 臨界速度を超えると、流動性要因が急激に低下し、ソリトン的およびフォノン様励起の放出に起因する散逸の発生が示される。
• 弱い欠陥では臨界速度 vc が音速 cs と一致するが、強い欠陥ではこの摂動的推定値から逸脱する。
• 非摂動的解析的モデル K(x) は、引力的および反発的欠陥の間の非対称性を説明する臨界速度閾値を正確に予測する。
• この効果は離散的波ガイドアレイおよび設計された屈折率プロファイルを有する連続的非線形媒質の両方で頑健に観測可能である。
• 2次元系では、光学的フォノンの放出によって超流動性が破綻すると予想され、超流動体におけるフォノン形成と類似する。