Ground state cooling of a suspended mirror

• Project/Area Number: 16J01010
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Particle/Nuclear/Cosmic ray/Astro physics
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 小森 健太郎 東京大学, 大学院理学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2018: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2017: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2016: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 重力波 / オプトメカニクス / 重力波実験

Outline of Annual Research Achievements

レーザー光と機械振動子の結合系を記述するオプトメカニクスの技術を用いることで、レーザー光の輻射圧を利用して振動子の変位量を小さくし実効温度を低下させることが可能となり、究極的には巨視的な振動子の量子力学的な性質を明らかにすることができると期待されている。量子力学における重力の役割を検証するためには様々な質量スケールの振動子を用いることが重要であるが、中でも私たちは、重力波検出器の精密測定技術を応用することができる懸架された鏡(質量はmg程度)に着目し、巨視的重ね合わせ状態の生成に向けて、懸架鏡の振動モードを基底状態まで冷却することを目指した。
mgスケールの振動子を冷却するため、棒状鏡をねじれ振り子として用いてその両端で光共振器を構築し、差動信号を取得して回転モードを測定するという新たな手法を考案した。この手法の主な利点は、回転モードは通常の振り子モードと比較して共振周波数が非常に低いため、冷却の障害となる熱雑音を小さく抑えることができる点である。基底状態冷却のためには、着目している振動モードが量子輻射圧揺らぎで駆動されることが必要条件となるため、まずは棒状鏡の回転モードで量子輻射圧揺らぎを観測することを目標とした実験を行った。
試験マスとなる振動子は、質量10 mg、長さ15 mmの棒状鏡を直径6umの炭素繊維で懸架したものである。結果として、量子輻射圧揺らぎと測定された雑音の信号雑音比0.14±0.03を達成した。これは、100 Hz付近の輻射圧揺らぎ測定における世界最高の結果であり、mg-g程度の質量の振動子を用いた測定においても世界最高の結果である。今後はさらなる雑音低減や、曲率つき鏡を両端に配置したダンベル型のねじれ振り子光共振器の開発などを行い、より高い信号雑音比での輻射圧揺らぎの観測、および基底状態までの冷却を目指す。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] マサチューセッツ工科大学(米国)
• [Journal Article] Demonstration of Displacement Sensing of a mg-Scale Pendulum for mm- and mg-Scale Gravity Measurements (2019)
  • Author(s): N. Matsumoto, S. B. Catano-Lopez, M. Sugawara, S. Suzuki, N. Abe, K. Komori, Y. Michimura, Y. Aso, and K. Edamatsu
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 122 Issue: 7 Pages: 071101-071101
  • DOI: 10.1103/physrevlett.122.071101
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Direct approach for the fluctuation-dissipation theorem under nonequilibrium steady-state conditions (2018)
  • Author(s): Kentaro Komori, Yutaro Enomoto, Hiroki Takeda, Yuta Michimura, Kentaro Somiya, Masaki Ando, Stefan W. Ballmer
  • Journal Title: Phys. Rev. D Volume: 97 Issue: 10 Pages: 102001-102001
  • DOI: 10.1103/physrevd.97.102001
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Particle swarm optimization of the sensitivity of a cryogenic gravitational wave detector (2018)
  • Author(s): Yuta Michimura, Kentaro Komori, Atsushi Nishizawa, Hiroki Takeda, Koji Nagano, Yutaro Enomoto, Kazuhiro Hayama, Kentaro Somiya, Masaki Ando
  • Journal Title: Phys. Rev. D Volume: 97 Issue: 12 Pages: 122003-122003
  • DOI: 10.1103/physrevd.97.122003
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Polarization test of gravitational waves from compact binary coalescences (2018)
  • Author(s): Hiroki Takeda, Atsushi Nishizawa, Yuta Michimura, Koji Nagano, Kentaro Komori, Masaki Ando, Kazuhiro Hayama
  • Journal Title: Phys. Rev. D Volume: 98 Issue: 2 Pages: 22008-22008
  • DOI: 10.1103/physrevd.98.022008
  • NAID: 130007735273
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Direct Approach for the Fluctuation-Dissipation Theorem under Non-Equilibrium Steady-State Conditions (2018)
  • Author(s): K. Komori, Y. Enomoto, H. Takeda, Y. Michimura, K. Somiya, M. Ando, S. W. Ballmer
  • Journal Title: arXiv Volume: 1803.00585
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mirror actuation design for the interferometer control of the KAGRA gravitational wave telescope (2017)
  • Author(s): Michimura Yuta , Shimoda Tomofumi , Miyamoto Takahiro , Shoda Ayaka , Okutomi Koki , Fujii Yoshinori , Tanaka Hiroki , Barton Mark A , Takahashi Ryutaro , Aso Yoichi , et al.
  • Journal Title: Classical and Quantum Gravity Volume: 34 Issue: 22 Pages: 225001-225001
  • DOI: 10.1088/1361-6382/aa90e3
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Construction of KAGRA: an underground gravitational-wave observatory (2017)
  • Author(s): KAGRA Collaboration、ほか
  • Journal Title: Progress of Theoretical and Experimental Physics Volume: 2018 Issue: 1 Pages: 1-23
  • DOI: 10.1093/ptep/ptx180
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Direct measurement of optical-trap-induced decoherence (2016)
  • Author(s): Nobuyuki Matsumoto, Kentaro Komori, Sosuke Ito, Yuta Michimura, and Yoichi Aso
  • Journal Title: Physics Review A Volume: 94 Issue: 3 Pages: 033822-033822
  • DOI: 10.1103/physreva.94.033822
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] ねじれ振り子を用いた量子輻射圧揺らぎの観測 (2019)
  • Author(s): 小森健太郎、榎本雄太郎、Ooi Ching Pin、宮崎祐樹、松本伸之、道村唯太、安東正樹
  • Organizer: 日本物理学会第74回年次大会
• [Presentation] Towards observation of quantum radiation pressure fluctuation acting on a torsion pendulum (2018)
  • Author(s): Kentaro Komori, Yutaro Enomoto, Ching Pin Ooi, Nobuyuki Matsumoto, Yuca Michimura, Masaki Ando
  • Organizer: Gravitational Wave Advanced Detector Workshop 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 量子輻射圧揺らぎ観測に向けたねじれ振り子光共振器の変位雑音評価 (2018)
  • Author(s): 小森健太郎、榎本雄太郎、Ooi Ching Pin、松本伸之、道村唯太、安東正樹
  • Organizer: 日本物理学会2018年秋季大会
• [Presentation] 量子輻射圧揺らぎ観測に向けたねじれ振り子光共振器のロック (2018)
  • Author(s): 小森健太郎，榎本雄太郎，Ooi Ching Pin，松本伸之，道村唯太，安東正樹
  • Organizer: 日本物理学会第73回年次大会
• [Presentation] Suspension thermal noise calculations for KAGRA (2017)
  • Author(s): K. Komori, Y. Enomoto, H. Takeda, Y. Michimura, K. Somiya, M. Ando, S. W. Ballmer
  • Organizer: 17th KAGRA face-to-face meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Towards observation of quantum radiation pressure fluctuation acting on a torsion pendulum (2017)
  • Author(s): K. Komori, Y. Enomoto, C. P. Ooi, N. Matsumoto, Y. Michimura, M. Ando
  • Organizer: 18th KAGRA face-to-face meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 聴きとろう！宇宙を漂う残響を (2017)
  • Author(s): 小森健太郎
  • Organizer: 第28回物理教育に関するシンポジウム
  • Invited
• [Presentation] 量子輻射圧揺らぎ観測に向けたねじれ振り子光共振器の構築 (2017)
  • Author(s): 小森健太郎，Ooi Ching Pin，榎本雄太郎，松本伸之，道村唯太，安東正樹
  • Organizer: 日本物理学会2017年秋季大会
• [Presentation] ねじれ振り子での量子輻射圧揺らぎ観測に向けたレーザー光の周波数、強度安定化 (2017)
  • Author(s): 小森健太郎、松本伸之、Ooi Ching Pin、道村唯太、安東正樹
  • Organizer: 日本物理学会第72回年次大会
  • Place of Presentation: 大阪大学(大阪府吹田市)
• [Presentation] 量子輻射圧揺らぎ観測に向けた低熱雑音ねじれ振り子の開発 (2016)
  • Author(s): 小森健太郎、松本伸之、道村唯太、安東正樹
  • Organizer: 日本物理学会2016年秋季大会
  • Place of Presentation: 宮崎大学(宮崎県宮崎市)