Amplification of higher-order QED process using coherence among atomic ensemble

• Project/Area Number: 17K14363
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Atomic/Molecular/Quantum electronics
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: Hara Hideaki 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 特別契約職員(助教) (70737311)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2018: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2017: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
• Keywords: 原子物理 / 高次QED過程 / 素粒子物理 / コヒーレント過渡現象 / 素粒子実験 / 原子・分子物理 / 量子エレクトロニクス

Outline of Final Research Achievements

Toward realization of coherent amplification of higher-order QED processes, we constructed a simulation model (Maxwell-Bloch equations), which describes coherent amplification. A numerical simulation for mercury gas target was performed, and signal intensity of E1×M1 two-photon emission when using excitation laser sources with possible pulse energies was estimated.
We also performed a higher-order two-photon excitation experiment of xenon gas target. Excitation was confirmed by observation of signal of resonance ionization, and the number of the excited atoms were estimated by a pump-probe method and rate equations.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

これまで検出のできなかった微弱な遷移が増幅により観測できるようになると、素粒子物理の未解決問題に対する新しい研究可能性が拓かれると考えられる。本研究では、微弱な高次QED過程の増幅に向けて、シミュレーションモデルの構築を行い、さらにキセノン気体の高次二光子励起と励起原子数評価を行った。コヒーレンス生成のための励起と、励起原子数評価が可能になったことは、微弱な高次過程の放射の実現、観測に向けた重要な結果である。

Research Products

• [Journal Article] Coherent two-photon emission from hydrogen molecules excited by counter-propagating laser pulses (2019)
  • Author(s): Hiraki Takahiro、Hara Hideaki、Miyamoto Yuki、Imamura Kei、Masuda Takahiko、Sasao Noboru、Uetake Satoshi、Yoshimi Akihiro、Yoshimura Koji、Yoshimura Motohiko
  • Journal Title: Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics Volume: 52 Issue: 4 Pages: 045401-045401
  • DOI: 10.1088/1361-6455/aafbd0
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Frequency dependence of coherently amplified two-photon emission from hydrogen molecules (2017)
  • Author(s): Hideaki Hara, Yuki Miyamoto, Takahiro Hiraki, Takahiko Masuda, Noboru Sasao, Satoshi Uetake, Akihiro Yoshimi, Koji Yoshimura, and Motohiko Yoshimura
  • Journal Title: PHYSICAL REVIEW A Volume: 96 Issue: 6 Pages: 063827-063827
  • DOI: 10.1103/physreva.96.063827
  • NAID: 120006382538
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Vibrational Two-Photon Emission from Coherently Excited Solid Parahydrogen (2017)
  • Author(s): Miyamoto Yuki、Hara Hideaki、Masuda Takahiko、Sasao Noboru、Uetake Satoshi、Yoshimi Akihiro、Yoshimura Koji、Yoshimura Motohiko
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry A Volume: 121 Issue: 20 Pages: 3943-3951
  • DOI: 10.1021/acs.jpca.7b02011
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Vibrational excitation of hydrogen molecules by two-photon absorption and third-harmonic generation (2017)
  • Author(s): Miyamoto Yuki、Hara Hideaki、Hiraki Takahiro、Masuda Takahiko、Sasao Noboru、Uetake Satoshi、Yoshimi Akihiro、Yoshimura Koji、Yoshimura Motohiko
  • Journal Title: Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics Volume: 51 Issue: 1 Pages: 015401-015401
  • DOI: 10.1088/1361-6455/aa9782
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Coherent two-photon emission from hydrogen molecules towards neutrino mass spectroscopy (2018)
  • Author(s): Hideaki Hara, for the SPAN collaboration
  • Organizer: The 26th International Conference on Atomic Physics (ICAP2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ニュートリノ質量分光を目指した気体および固体水素振動準位間の位相共役二光子放出実験 (2018)
  • Author(s): 宮本祐樹, 原秀明, 平木貴宏, 今村慧, 増田孝彦, 笹尾登, 植竹智, 吉見彰洋, 吉村浩司, 吉村太彦
  • Organizer: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [Presentation] ニュートリノ質量分光のための対向レーザー励起によるコヒーレント二光子放出実験 (2018)
  • Author(s): 平木貴宏, 原秀明, 今村慧, 増田孝彦, 宮本祐樹, 笹尾登, 植竹智, 吉見彰洋, 吉村浩司, 吉村太彦
  • Organizer: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [Presentation] ニュートリノ質量分光に向けたXe原子の多光子励起 (2018)
  • Author(s): 佐藤帯子, 増田孝彦, 今村慧, 岡井晃一, 平木貴宏, 原秀明, 宮本祐樹, 笹尾登, 田代基慶, 植竹智, 吉見彰洋, 吉村浩司, 吉村太彦
  • Organizer: 日本物理学会 第74回年次大会
• [Presentation] ニュートリノ質量分光のためのパラ水素ガスを用いた対向レーザー励起実験 (2018)
  • Author(s): 平木貴宏, 原秀明, 今村慧, 増田孝彦, 宮本祐樹, 笹尾登, 髙江洲義太郎, 植竹智, 吉見彰洋, 吉村浩司, 吉村太彦
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Presentation] ニュートリノ質量分光に向けたXeガス対向励起実験の開発 (2018)
  • Author(s): 今村慧, 原秀明, 平木貴宏, 宮本祐樹, 増田孝彦, 岡井晃一, 笹尾登, 佐藤帯子, 髙江洲義太郎, 植竹智, 吉見彰洋, 吉村浩司, 吉村太彦
  • Organizer: 日本物理学会 第73回年次大会
• [Presentation] Coherent Amplification of Two-Photon Emission from Hydrogen Molecules Towards Neutrino Mass Spectroscopy (2017)
  • Author(s): Hideaki Hara, for the SPAN collaboration
  • Organizer: Gordon Research Conference, Atomic Physics, From Quantum Control to Tests of Fundamental Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 中赤外光を用いたラダー型励起による水素分子振動準位間のコヒーレンス生成 (2017)
  • Author(s): 原秀明, 平木貴宏, 今村慧, 増田孝彦, 宮本祐樹, 笹尾登, 髙江洲義太郎, 植竹智, 吉見彰洋, 吉村浩司, 吉村太彦
  • Organizer: 日本物理学会 2017年秋季大会
• [Presentation] Coherence Generation by Counter-Propagating Photons Towards Neutrino Mass Spectroscopy (2017)
  • Author(s): Hideaki Hara, for the SPAN collaboration
  • Organizer: 10th International Workshop On Fundamental Physics Using Atoms (FPUA)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 原子を用いたニュートリノ質量分光のための対向レーザー励起実験の現状 (2017)
  • Author(s): 植竹智, 原秀明, 平木貴宏, 今村慧, 増田孝彦, 宮本祐樹, 岡井晃一, 笹尾登, 髙江洲義太郎, 田中実, 津村浩二, 吉見彰洋, 吉村浩司, 吉村太彦
  • Organizer: 日本物理学会 2017年秋季大会