原子干渉計におけるデコヒーレンス時間の質量依存性の研究

• Project/Area Number: 20K14482
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 中村 圭佑 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任研究員 (00795982)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 磁気光学トラップ / 光格子 / 光ファイバ増幅器 / 原子干渉計 / 周波数安定化 / レーザー冷却 / デコヒーレンス / 量子重力 / 精密分光

Outline of Research at the Start

一般相対性理論と量子力学を統一的に説明できる、いわゆる量子重力理論を確立しようとする試みは、現代物理学におけて最大の挑戦の一つである。幾つかの理論候補が提案されているが、実験的な検証ができずにいる。近年、原子干渉計のデコヒーレンスを用いて量子重力を探索する方法が提案された。本研究では、原子干渉計におけるデコヒーレンス時間の質量依存性を検証することで量子重力理論の実験的検証に挑む。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、安定同位体であるルビジウム87とルビジウム85を同時にレーザー冷却・光格子トラップし、同じ環境下で原子干渉計を構成し、デコヒーレンス時間の質量依存性を精密検証することで量子重力理論の実験的検証に挑む。研究期間内に、①冷却光源・光学系と周波数安定化機構、②磁気光学トラップ（MOT）用の真空チェンバー及び観測系、③光格子用光源・光学系、④ラムゼー測定用マイクロ波源（あるいは2光子誘導ラマン光源）及びタイミング系・観測系の各種開発・評価、⑤デコヒーレンス時間の測定及び質量依存性の検証、の手順で研究を進める。
2023年度は③と④に取り組み、偏光勾配冷却（PGC）と光双極子トラップ（ODT）を達成した。Rb原子をPGCによってドップラー限界温度（Rbの場合146 uK）以下の3 uKまで冷却させることで、波長1064 nm、光出力7 W、ビームウエスト径35 umのレーザー光で形成したトラップ深さ350 uKのODTに移行効率3 %で装填させることに成功した。今後は、1064 nm光をミラーで折り返し定在波にすることで、1次元光格子トラップの実証実験を行う。光格子では、トラップ深さが4倍になるため移行効率の向上も期待される。
また、②の構成について、Rb原子供給源を当初のディスペンサーからアンプルに変えることで供給力強化を行うとともに、併せて当初の1段型MOTシステムから2段型に変えることで、ラムゼー測定を行うMOT真空槽内（2段目）の真空度が10^-9 Pa以下になるように改善した。これらの改造により、尋問時間10 s級のラムゼー測定を長期にわたり実行可能な環境を整えた。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

尋問時間10 s級のラムゼー測定を長期にわたり実行可能にするため、当初のMOTシステム（Rb原子供給源：ディスペンサー、構成：1段型MOT）から新しいシステム（Rb原子供給源：アンプル、構成：2段型MOT）に改造した。それらの改造作業に時間を要したため。

Strategy for Future Research Activity

2024年度は⑤に取り組み、最終目標であるデコヒーレンス時間の質量依存性の精密検証を行う。

Research Products

• [Journal Article] Absorption spectroscopy measurements of molecular iodine for magneto-optical trapping of francium atoms (2023)
  • Author(s): K. Nakamura, S. Nagase, T. Nakashita, T. Hayamizu, T. Aoki, H. Nagahama, N. Ozawa, M. Sato, M. Fukase, D. Uehara, A. Takamine, and Y. Sakemi
  • Journal Title: RIKEN Accelerator Progress Report Volume: 56 Pages: 108-108
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Design of the optical lattice trap as a tool for precision spectroscopy using heavy atoms (2023)
  • Author(s): N. Ozawa, K. Nakamura, S. Nagase, T. Nakashita, H. Nagahama, and Y. Sakemi
  • Journal Title: CNS Annual Report Volume: 2021 Pages: 43-44
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development of a Laser Frequency Stabilization and an Optical Transmission System for the Francium Electric Dipole Moment Search (2022)
  • Author(s): K. Nakamura, S. Nagase, T. Nakashita, T. Hayamizu, T. Aoki, H. Nagahama, N. Ozawa, M. Sato, K. Yamane, M. Fukase, D. Uehara, A. Takamine and Y. Sakemi
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 2249 Issue: 1 Pages: 0120101-7
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2249/1/012010
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Long polarization-maintaining fiber link (440 m) for magneto-optical trapping of Francium atoms (2022)
  • Author(s): K. Nakamura, S. Nagase, T. Nakashita, T. Hayamizu, T. Aoki, H. Nagahama, N. Ozawa, M. Sato, K. Yamane, M. Fukase, D. Uehara, A. Takamine and Y. Sakemi
  • Journal Title: RIKEN Accelerator Progress Report Volume: 55 Pages: 95-95
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 400-m-Long Polarization-Maintaining Fibers for Magneto-Optical Trapping of Francium Atoms (2022)
  • Author(s): K. Nakamura, S. Nagase, T. Nakashita, T. Hayamizu, T. Aoki, H. Nagahama, N. Ozawa, M. Sato, K. Yamane, M. Fukase, D. Uehara, A. Takamine and Y. Sakemi
  • Journal Title: Proceedings of the 2022 Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim Volume: 2022
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Quantum sensing of the electron electric dipole moment using ultracold entangled Fr atoms (2021)
  • Author(s): Aoki T、Sreekantham R、Sahoo B K、Arora Bindiya、Kastberg A、Takamine A、Ueno H、Ichikawa Y、Matsuda Y、Haba H、Sakemi Y et al.
  • Journal Title: Quantum Science and Technology Volume: 6 Issue: 4 Pages: 044008-044008
  • DOI: 10.1088/2058-9565/ac1b6a
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 冷却Fr原子を用いたEDM探索プロジェクトの開発状況 (2023)
  • Author(s): 中村圭佑
  • Organizer: 第12回 停止・低速RIビームを用いた核分光研究会（12th SSRI）
• [Presentation] Current status of development of laser optics for Fr permanent electric dipole moment (2023)
  • Author(s): K. Nakamura, S. Nagase, T. Nakashita, H. Nagahama, M. Sato, M. Fukase, and Y. Sakemi
  • Organizer: Symposium University of Tokyo - ETH Zurich - University of Zurich
• [Presentation] 400-m-Long Polarization-Maintaining Fibers for Magneto-Optical Trapping of Francium Atoms (2022)
  • Author(s): K. Nakamura, S. Nagase, T. Nakashita, T. Hayamizu, T. Aoki, H. Nagahama, N. Ozawa, M. Sato, K. Yamane, M. Fukase, D. Uehara, A. Takamine and Y. Sakemi
  • Organizer: Proceedings of the 2022 Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a laser frequency stabilization and an optical transmission system for the francium electric dipole moment search (2021)
  • Author(s): K. Nakamura, S. Nagase, T. Nakashita, T. Hayamizu, T. Aoki, H. Nagahama, N. Ozawa, M. Sato, K. Yamane, M. Fukase, D. Uehara, A. Takamine, and Y. Sakemi
  • Organizer: The 29th annual International Laser Physics Workshop (LPHYS'21)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] フランシウム原子の電子電気双極子能率探索のためのレーザー周波数安定化機構と光伝送系の開発 (2021)
  • Author(s): 中村圭佑，永瀬慎太郎，中下輝士，早水友洋，青木貴稔，長濱弘季，小澤直也，佐藤幹，山根風樹，深瀬実来，上原大祐，高峰愛子, 酒見泰寛
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会