| Project/Area Number |
23K03276
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
斎藤 弘樹 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (60334497)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2026: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000)
Fiscal Year 2025: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000)
Fiscal Year 2024: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
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| Keywords | 冷却原子気体 / 超固体 / 量子渦 / スピン / 磁性 / 超流動 / ボース・アインシュタイン凝縮 |
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| Outline of Research at the Start |
固体は周期的な構造を持つ状態である。一方、液体や気体は、外力がかかると自由に流れることができる。この両方の性質を併せ持った「超固体」と呼ばれる状態が最近実現された。これは周期的構造が不動のままにあるにも関わらず、その中を質量流が流れることのできる興味深い状態である。しかしながら、これまで実現されている超固体状態はいずれも寿命が短く、超固体特有の動的現象を直接観測するには至っていない。これに対して本研究は、従来の単一成分からなる系ではなく、複数の成分からなる系を研究する。そうすることで、水の中に油の液滴が並んでいるような状態となり、長寿命が実現できると期待される。
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| Outline of Annual Research Achievements |
「超固体」とは、結晶のように空間的な周期構造を持ちつつ、その周期構造は不動のまま超流動流が流れることのできるような状態を言う。このような状態が２０１９年に原子気体のボース・アインシュタイン凝縮体において実現された。本研究の目的は、これを多成分のボース・アインシュタイン凝縮体に拡張することである。
今年度の研究では超固体状態の多成分系への拡張という点で大きな進展があった。スピン自由度を持つ原子のボース・アインシュタイン凝縮体は多成分系である。従来、ボース・アインシュタイン凝縮体の液滴状態はスピン自由度が外部磁場によって凍結された状態、すなわち一成分系がこれまで考えられてきた。これに対して、本研究では外部磁場が非常に弱くスピン自由度を保った系を考察した。さらに原子が持つ磁性による相互作用が、その他の相互作用よりも強く支配的な場合を考えた。これは近年わが国で初めて実現されたユーロピウム原子のボース・アインシュタイン凝縮体がこれに相当する。
数値的または解析的な研究により、基底状態はドーナツ型の液滴状態であることを明らかにした。これはドーナツの輪に沿って磁化が循環した状態となっており磁気渦と呼ばれている。このような磁気渦を持った自己束縛状態が流体で実現できることを見いだしたのはこれが初めてである。さらに、この系をシート上の細長い空間に閉じ込めると、ドーナツ型の液滴状態が周期的に並んだ状態が基底状態であることを明らかにした。この状態は周期性を持ちつつ超流動性も持っており、超固体状態であると言える。従来のように単純な形の液滴が並んでいるのではなく、磁気渦という構造を持った液滴が並んでいる極めて新奇な超固体状態である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初の計画では、二成分系を重点的に調べる予定であった。しかし、二成分系については昨年から今年にかけて、いくつかの研究が既に他グループによって行われてしまい、スピノル系（３成分以上の多成分系）に研究の方向性を変更した。これが功を奏し、上で述べたドーナツ型の磁気渦状態の発見や、複数の磁気渦状態がつらなった新奇な超固体状態の発見につながった。これは当初想定していた以上の興味深い結果であり、当初の計画以上に進展していると判断することができる。
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| Strategy for Future Research Activity |
前項で述べたように、当初予定していた二成分BECの研究からやや方針を変更し、原子のスピン自由度を取り入れた多成分BECの研究を行っており、今後もこの方策で研究を進める。多成分BECへと研究対象を広げたことにより、磁気渦を持ったドーナツ型の液滴状態からなる超固体状態の発見に至った。今後は、この状態についてさらに調査する予定である。例えば、この超固体状態に超流動流がどのように流れるか、あるいは、超固体状態の集団励起などについて研究を行う予定である。
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