単一イオンによる原子気体の高分解能プロービング

• Project/Area Number: 15J10722
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Atomic/Molecular/Quantum electronics
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: 土師 慎祐 電気通信大学, レーザー新世代研究センター, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2015-04-24 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2017: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2016: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2015: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 冷却原子 / イオントラップ / 極低温化学 / 冷却原子気体 / 低温化学反応 / 冷却イオン

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、レーザー冷却された中性原子気体とイオントラップ中の単一イオンとの相互作用を詳細に調べた。イオン・原子間の相互作用においては弾性衝突過程や、イオンや原子の内部状態及び電荷量が変化するような反応性のある非弾性衝突が考えられる。本研究課題ではイオン・原子ハイブリッドトラップと呼ばれる装置を用いることで、こういった様々な衝突過程を極低温領域において観測することができた。
弾性衝突においてはイオン・原子間衝突によってそれぞれの運動量の交換が起こるため、一方を極低温状態に準備することで両者の熱平衡化によりもう一方の温度を下げることができる。これは共同冷却と呼ばれ、レーザー冷却に代わる新たな冷却手法として有望視されている。本研究では原子気体との相互作用がある状況下での単一イオンの運動状態の時間発展を測定することで、こういった共同冷却効果が存在することを実証することに成功した。また、ここでは非常に質量の小さなリチウム原子を原子種として選択しているが、これが決め手となり高効率な冷却を行うことができることも確認することができた。
非弾性衝突に関する研究では、イオン・原子間の近距離衝突（ランジュバン衝突）によりイオンの電子状態が変化するような過程を検出することに成功した。一般的には電子励起状態の寿命は数ナノ秒オーダーであり、イオン原子間の衝突時間スケールに比べて非常に短いことが知られているが、今回の試みではカルシウムイオンの有する凖安定状態（寿命１秒程度）を用いることでこういった非弾性過程を捉えることができ、その衝突係数を決定するに至った。これらの成果は本研究の目標である原子気体の高分解能プロービングや極低温領域における化学反応機構の解明のための重要なステップであると言える。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Laboratoire Aime Cotton/CNRS/Universite Paris-Sud(France)
• [Journal Article] Cooling Dynamics of a Single Trapped Ion via Elastic Collisions with Small-Mass Atoms (2018)
  • Author(s): S. Haze, M. Sasakawa, R. Saito, R. Nakai, and T. Mukaiyama
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 120 Issue: 4 Pages: 043401-043405
  • DOI: 10.1103/physrevlett.120.043401
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] イオン・原子混合系における極低温衝突 (2018)
  • Author(s): 土師慎祐、齋藤了一、向山敬
  • Journal Title: 日本物理学会誌 Volume: 73 Pages: 97-102
  • NAID: 40021457567
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Characterization of charge-exchange collisions between ultracold 6Li atoms and 40Ca+ ions (2017)
  • Author(s): (2)R. Saito, S. Haze, M. Sasakawa, R. Nakai, M. Raoult, H. Da Silva, Jr., O. Dulieu, and T. Mukaiyama
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 95 Issue: 3 Pages: 032709-032709
  • DOI: 10.1103/physreva.95.032709
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Characterization of charge-exchange collisions between ultracold Li atoms and Ca+ ions (2017)
  • Author(s): Shinsuke Haze, Ryoichi Saito, Mizuki Sasakawa, Ryosuke Nakai, Takashi Mukaiyama
  • Organizer: The fourth MIPT-LPI-UEC Joint Workshop on Atomic, Molecular, and Optical Physics
  • Place of Presentation: University of Electro-Communications (Tokyo, Chofu))
  • Year and Date: 2017-03-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Characterization of ultracold collisions between laser-cooled 6Li atoms and 40Ca+ ions (2017)
  • Author(s): M. Sasakawa, R. Saito, S. Haze, R. Nakai, M. Raoult, H. Da Silva Jr., O. Dulieu, T. Mukaiyama
  • Organizer: The fourth MIPT-LPI-UEC Joint Workshop on Atomic, Molecular, and Optical Physics
  • Place of Presentation: University of Electro-Communications (Tokyo, Chofu)
  • Year and Date: 2017-03-25
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] イオン・原子間の非弾性散乱によるイオンの内部状態緩和の観測 (2017)
  • Author(s): 土師慎祐、齋藤了一、笹川瑞樹、中井良輔、向山敬
  • Organizer: 日本物理学会第72回秋季大会
• [Presentation] 極低温原子気体を用いた弾性衝突過程によるイオンの冷却の観測 (2017)
  • Author(s): 笹川瑞樹、土師慎祐、齋藤了一、中井良輔、向山敬
  • Organizer: 日本物理学会第72回秋季大会
• [Presentation] Cooling behaviour of a single trapped ion via collisions with small-mass atoms (2017)
  • Author(s): S. Haze, M. Sasakawa, R. Saito, R. Nakai and T. Mukaiyama
  • Organizer: Spectroscopy, Dynamics and Applications of Cold Molecular Ions
• [Presentation] イオン・原子間量子散乱に向けたイオンの振動基底状態冷却 (2016)
  • Author(s): 土師慎祐，齋藤了一，笹川瑞樹，中井良輔，向山敬
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] リチウム原子-カルシウムイオン間の電荷交換散乱の特性評価 (2016)
  • Author(s): 齋藤了一，土師慎祐 笹川瑞樹，中井良輔，M. Raoult, H. Da. Silva Jr., O. Dulieu, 向山敬
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス（石川県金沢市）
  • Year and Date: 2016-09-13
• [Presentation] 原子-イオン間電荷交換散乱のエネルギー依存性 (2016)
  • Author(s): 齋藤了一、土師慎祐、笹川瑞樹、中井良輔、向山敬
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 東北学院大学
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] 狭線幅遷移を用いた6Li原子のレーザー冷却 (2016)
  • Author(s): 松田優衣、土師慎祐、吉田純、服部敬太、向山敬
  • Organizer: 日本物理学会
  • Place of Presentation: 東北学院大学
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Measurement of Charge-Exchange Collision Cross Section between Li and Ca+ in a Temperature Range of mK to K (2015)
  • Author(s): Ryoichi Saito, Shinsuke Haze, Mizuki Sasakawa, Kazuki Kyuno, and Takashi Mukaiyama
  • Organizer: The Irago conference 2015
  • Place of Presentation: Irago Sea Park and Spa Hotel, 田原市,愛知県
  • Year and Date: 2015-10-22
  • Int'l Joint Research