Theoretical study for a dimension-dependent non-equilibrium phenomenon in an ultracold atomic gas

• Project/Area Number: 16J01683
• 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 Tokyo
• Principal Investigator: 藤本 和也 東京大学, 大学院理学系研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2016-04-22 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2018: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2017: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2016: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 冷却原子気体 / 緩和ダイナミクス / 非熱的固定点 / フロケエンジニアリング / スピノールBose気体 / 粗視化ダイナミクス / 乱流

Outline of Annual Research Achievements

本年度は(1)反強磁性相互作用を持つ1次元スピノールBose気体における普遍的な緩和ダイナミクスと(2)周期外力場中のスピノールBose気体の理論研究を実施した。
研究(1)では、外場を素早く消すクエンチダイナミクスを調べ、その緩和現象がスピン演算子の2次モーメントであるネマティックテンソルにより特徴づけられることを明らかにした。特筆すべき点は、ネマティックテンソルの2点相関関数が動的スケーリングを示し、普遍的な緩和シナリオで重要な非熱的固定点が磁気ソリトンとその束縛状態であるFlemish stringにより誘起されることを明らかにしたところである。これはソリトン由来の非熱的固定点の初めての例である。さらに、過去の実験に対応する有限温度の数値計算を行い、我々の理論予想が実験観測可能であるかを議論した。この成果はPhysical Review Letterで掲載・出版された。また、論文投稿後、上記の実験を行った研究グループと議論を行った。
研究(2)では、周期的に時間変化する外場中で発現するスピノールBose気体の新奇な性質を調べた。このような周期駆動場により生み出される新奇物性の探索はフロケエンジニアリングと呼ばれている。我々はフロケエンジニアリングの標準的手法である高周波数展開を用いて、新しい粒子間相互作用を含む有効的なハミルトニアンを導出した。このハミルトニアンに対して平均場近似を行い、新しいスピン秩序を持つtitled broken axisymmetry状態とtilted poler状態が現れることを明らかにした。さらに、Bogoliubov理論を適用して励起スペクトルを解析的に求め、反強磁性相互作用するスピノールBose気体は非自明な準安定状態を持つことを明らかにした。この成果は論文にまとめており、現在査読中である。

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] Cavendish Laboratory(英国)
• [Int'l Joint Research] Yale University(米国)
• [Int'l Joint Research] Cavendish Laboratory/Clarendon Laboratory(United Kingdom)
• [Int'l Joint Research] Department of Physics, Yale University(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Cambridge(United Kingdom)
• [Int'l Joint Research] Yale University(米国)
• [Journal Article] Flemish Strings of Magnetic Solitons and a Nonthermal Fixed Point in a One-Dimensional Antiferromagnetic Spin-1 Bose Gas (2019)
  • Author(s): Fujimoto Kazuya、Hamazaki Ryusuke、Ueda Masahito
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 122 Issue: 17 Pages: 173001-173001
  • DOI: 10.1103/physrevlett.122.173001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Unconventional Universality Class of One-Dimensional Isolated Coarsening Dynamics in a Spinor Bose Gas (2018)
  • Author(s): Kazuya Fujimoto, Ryusuke Hamazaki, Masahito Ueda
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. 120, 073002 Volume: 120 Issue: 7 Pages: 1-6
  • DOI: 10.1103/physrevlett.120.073002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Numerical Studies of Quantum Turbulence (2017)
  • Author(s): Tsubota Makoto、Fujimoto Kazuya、Yui Satoshi
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics Volume: 188 Issue: 5-6 Pages: 119-189
  • DOI: 10.1007/s10909-017-1789-8
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Universal thermalization dynamics and a non-thermal fixed point in a one-dimensional antiferromagnetic spinor Bose gas (2019)
  • Author(s): 藤本和也、濱崎立資、上田正仁
  • Organizer: 第4回「トポロジーが紡ぐ物質科学のフロンティア」領域研究会
• [Presentation] Non-thermal fixed points in a one-dimensional antiferromagnetic spinor Bose gas (2019)
  • Author(s): Kazuya Fujimoto, Ryusuke Hamazaki, and Masahito Ueda
  • Organizer: APS March Meeting 2019
• [Presentation] 反強磁性スピノールBose気体における1次元系の粗視化ダイナミクス (2018)
  • Author(s): 藤本和也、濱崎立資、上田正仁
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] カオス的不可逆性の指標としての非可換性の増大 (2018)
  • Author(s): 濱崎立資、藤本和也、上田正仁
  • Organizer: 日本物理学会
• [Presentation] 1次元スピノルBose気体における非熱的固定点 (2018)
  • Author(s): 藤本和也、濱崎立資、上田正仁
  • Organizer: 非平衡系の物理学ー階層性と普遍性ー
• [Presentation] Universality Class of Coarsening Dynamics in an Isolated One-Dimensional Spinor Bose Gas (2018)
  • Author(s): 藤本和也
  • Organizer: 若手研究会「統計物理学とその周辺」
  • Invited
• [Presentation] Isolated coarsening dynamics in a one-dimensional ferromagnetic spinor Bose gas (2018)
  • Author(s): Kazuya Fujimoto
  • Organizer: Finite Temperature Non-equilibrium Superfluid system
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental and numerical studies of a turbulent cascade in a 3D Bose gas (2017)
  • Author(s): 藤本和也、坪田誠、Christoph Eigen、Jinyi Zhang、Raphael Lopes、Nir Navon、Robert Smith、Zoran Hadzibabic
  • Organizer: 日本物理学会、2017年秋季大会
• [Presentation] 1次元スピノールBose-Hubbard模型におけるスピンドメインの安定性と量子揺らぎ (2017)
  • Author(s): 藤本和也、濱崎立資、上田正仁
  • Organizer: 日本物理学会、2017年秋季大会
• [Presentation] Truncated Wigner近似による非時間順序相関関数の解析 (2017)
  • Author(s): 濱崎立資、藤本和也、上田正仁
  • Organizer: 日本物理学会、2017年秋季大会
• [Presentation] Coarsening in the one-dimensional spin-1 spinor Bose-Hubbard model (2017)
  • Author(s): Kazuya Fujimoto, Ryusuke Hamazaki, and Masahito Ueda
  • Organizer: 48th Annual DAMOP Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Universal coarsening dynamics in a one-dimensional spin-1 spinor Bose gas (2017)
  • Author(s): Kazuya Fujimoto, Ryusuke Hamazaki, and Masahito Ueda
  • Organizer: Quantum Thermodynamics: Thermalization and Fluctuations
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Coarsening dynamics of spin domains in a one-dimensional spin-1 spinor Bose gas (2017)
  • Author(s): Kazuya Fujimoto, Ryusuke Hamazaki, and Masahito Ueda
  • Organizer: International Conference on Topological Material Science 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 1成分ボース・アインシュタイン凝縮体におけるBogoliubov波動乱流 (2017)
  • Author(s): 藤本和也
  • Organizer: 「揺らぎと構造の協奏」第2回冷却原子研究会
  • Invited
• [Presentation] 1次元スピノールBose-Hubbard模型におけるスピインドメインの緩和ダイナミクス (2017)
  • Author(s): 藤本和也、濱崎立資、上田正仁
  • Organizer: 日本物理学会、第72回年次大会
• [Presentation] Weak wave turbulence in spin-1 spinor Bose-Einstein condensates (2016)
  • Author(s): Kazuya Fujimoto, and Makoto Tsubota
  • Organizer: The 25th International Conference on Atomic Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Logarithmic velocity profile of wall-bounded quantum turbulence in superfluid 4H (2016)
  • Author(s): Satoshi Yui, Kazuya Fujimoto, and Makoto Tsubota
  • Organizer: International Conference on Quantum Fluids and Solids
  • Int'l Joint Research