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 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• 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: 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 / 磁気光学トラップ / 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。2020年度は①と②を取り組み、冷却光源を整備するとともに、ルビジウム87及びルビジウム85のそれぞれのMOTに成功した。2021年度は、③と④に取り組み、自作用イッテルビウム添加ファイバ増幅器の部品選定・調達、および、短期安定度10^-11@10秒以上の基準信号源の選定を行った。2022年度は、③と④をさらに進めた。
③光格子用光源・光学系の開発・評価
イッテルビウム添加ファイバ増幅器を自作し、出力10 Wを達成した。また、光強度安定化回路を自作し、実装した。現在、MOTから光格子へのローディング効率を上げるために系全体の最適化を進めている。
④ラムゼー測定用マイクロ波源及びタイミング系・観測系の各種開発・評価
短期安定度が10^-12@10秒の基準信号源を調達した。また、長期安定度に優れたルビジウムクロックを、一時的に地下実験室から持ち出しGPS校正を受けられるように、バッテリー内蔵型筐体への組み込みを行った。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

基準信号源（恒温筐体組込高安定水晶発振器）の調達に時間を要したため。

Strategy for Future Research Activity

2023年度前半に③と④を完成させ、後半に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] 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] 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