Nonequilibrium quantum cluster expansion and its application to ultracold atoms

• Project/Area Number: 19J01006
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: 関野 裕太 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 特別研究員
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 冷却原子気体 / 非平衡現象 / スピン流 / 量子シミュレーション / 光学スピン伝導率 / 強相関量子多体系 / １次元量子系 / メゾスコピック輸送

Outline of Research at the Start

本研究では強相関量子多体系における非平衡現象を理解することを目指す。強相関非平衡現象の解明は物理の様々な分野に共通する重要課題である。これらの系の理論解析は一般的に非常に難しいため、系統的な理論計算は現象を理解するための貴重な情報を与える。そこで、本研究では非平衡状態を解析できる量子クラスター展開理論を構築し、強相関非平衡現象を系統的に解析する手法を確立する。確立した手法を冷却原子気体における強相関非平衡現象に応用し、強い相関が系のマクロな動的性質に与える影響を解明する。さらに、冷却原子気体で深めた理解から、中性子星などのより複雑な強相関量子多体系を理解するための知見を得ることを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

昨年度に提案した、冷却原子気体において交流スピン伝導率（光学スピン伝導率）の測定手法をさらに拡張した。第一に、スピン軌道相互作用やラビ結合が存在するようなスピン非保存系に対しても、光学スピン伝導率を測定できることを明らかにした。また、強い外場によ非平衡状態に駆動されている系の場合も、測定方法を拡張できることを解明した。
また、光学スピン伝導率のさらなる理論研究も行い、冷却原子気体のプローブとしての光学スピン伝導率の有用性を明らかにした。まず、１次元p波フェルミ超流動体を解析した。この系は、相互作用の強さを変えることでトポロジカル相転移を起こす。光学スピン伝導率は、相転移点において存在するギャップレス励起に敏感であることを明かした。また、朝永・ラッティンジャー液体(TLL)の光学スピン伝導率も解析した。この系では、低周波数領域で光学スピン伝導率がべき的に振る舞い、そのべきはスピンのTLLパラメータのみで決まることが明らかとなった。TLLパラメータは1次元系の低エネルギーでの振る舞いを決める非常に重要なパラメータであるが、従来の冷却原子気体における実験ではスピンのTLLパラメータを決定することは容易ではない。そのため、1次元冷却原子系を調べる上で、光学スピン伝導率の測定は非常に有用である。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Kavli Institute for Theoretical Sciences(中国)
• [Journal Article] Optical spin transport theory of spin-1/2 topological Fermi superfluids (2022)
  • Author(s): H. Tajima, Y. Sekino, and S. Uchino
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 105 Issue: 6 Pages: 64508-64508
  • DOI: 10.1103/physrevb.105.064508
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Field-theoretical aspects of one-dimensional Bose and Fermi gases with contact interactions (2021)
  • Author(s): Yuta Sekino and Yusuke Nishida
  • Journal Title: Phy. Rev. A Volume: 103 Issue: 4 Pages: 043307-043307
  • DOI: 10.1103/physreva.103.043307
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mesoscopic spin transport between strongly interacting Fermi gases (2020)
  • Author(s): Sekino Yuta, Tajima Hiroyuki, Uchino Shun
  • Journal Title: Physical Review Research Volume: 2 Issue: 2 Pages: 023152-023152
  • DOI: 10.1103/physrevresearch.2.023152
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 冷却原子気体における光学スピン輸送II (2022)
  • Author(s): 関野裕太, 田島裕之, 内野瞬
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会（2022年）
• [Presentation] 2体および3体相互作用する1次元スピンレスフェルミ系とボース・フェルミ対応の拡張 (2021)
  • Author(s): 関野裕太, 西田祐介
  • Organizer: 日本物理学会 2021年秋季大会
• [Presentation] Mesoscopic spin transport between strongly interacting Fermi gases (2021)
  • Author(s): Yuta Sekino, Hiroyuki Tajima, and Shun Uchino
  • Organizer: APS March Meeting 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Universal properties of resonantly interacting systems in one dimension from the few- body perspective (2021)
  • Author(s): Yuta Sekino
  • Organizer: The 8th Asia-Pacific Conference on Few-Body Problems in Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 冷却原子気体における光学スピン輸送 (2021)
  • Author(s): 関野裕太, 田島裕之, 内野瞬
  • Organizer: 日本物理学会 第76回年次大会（2021年）
• [Presentation] 強結合フェルミ原子気体におけるスピン輸送 (2020)
  • Author(s): 関野裕太
  • Organizer: 第2回 冷却原子研究会「アトムの会」
• [Presentation] 強結合フェルミ気体におけるメゾスコピックスピン輸送 (2020)
  • Author(s): 関野 裕太
  • Organizer: KEK理論センター研究会 「熱場の量子論とその応用」
• [Presentation] 1次元ボース気体の動的相関関数 (2020)
  • Author(s): 関野裕太、西田祐介
  • Organizer: 日本物理学会第75回年次大会
• [Presentation] Application of operator product expansion to interacting Bose gas in 1+1 dimensions (2019)
  • Author(s): Yuta Sekino
  • Organizer: RIKEN-OIST mini Workshop 2019 Mathematical Condensed Matter Physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 共鳴相互作用する1次元量子系の普遍性 (2019)
  • Author(s): 関野裕太
  • Organizer: 熱場の量子論とその応用2019
• [Presentation] Quantum droplet of one-dimensional bosons with a three-body attraction (2019)
  • Author(s): Yuta Sekino and Yusuke Nishida
  • Organizer: The Fourth Kyoto-Beijing-Tokyo Workshop on Ultracold Atomic Gases
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] Mesoscopic spin transport between Fermi gases
  • URL: https://ithems.riken.jp/ja/news/mesoscopic-spin-transport-between-strongly-interacting-fermi-gases