| Project/Area Number |
23K23231
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| Project/Area Number (Other) |
22H01963 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 29020:Thin film/surface and interfacial physical properties-related
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| Research Institution | National Institutes for Quantum Science and Technology |
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Principal Investigator |
秋葉 圭一郎 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 高崎量子技術基盤研究所 量子機能創製研究センター, 主幹研究員 (80712538)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三宮 工 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (60610152)
弓削 達郎 静岡大学, 理学部, 准教授 (70547380)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2022: ¥13,780,000 (Direct Cost: ¥10,600,000、Indirect Cost: ¥3,180,000)
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| Keywords | 電子顕微鏡 / カソードルミネッセンス / 量子もつれ / コヒーレント発光 / 量子もつれ状態 / 電子線励起発光 / 光子バンチング / 電子－光子相関 |
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| Outline of Research at the Start |
電子の波動性を利用した第一世代の量子技術ともいえる電子顕微鏡において、量子もつれを利用することで、量子コヒーレンスを原子分解能で観察可能とする量子プローブや超高感度検出という新たな革新が理論的にいくつも提唱されている。しかし、電子顕微鏡における量子もつれは、実験的には観測されていないのが現状である。本研究では、高速電子とコヒーレントに励起される光子の間の量子もつれの実験的検証を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
電子線励起コヒーレント発光は、高速電子とそれによって生成される光子の間にエネルギーおよび運動量の保存が成立するため、シンプルに電子と光子の間の量子もつれの生成が予期されていた。しかしながら、ここまでの研究によって、実際に用いる電子線に課せられる量子ゆらぎやコヒーレント発光の種類で決定される光子のスペクトル広がりといった詳細によっては、電子と光子の量子もつれが生じない可能性があることがわかってきた。そこで、第2年度となる2023年度の補助事業では、理論として「電子線励起コヒーレント発光のハミルトニアンから電子線中の電子‐光子量子もつれ状態を記述すること」、実験として「種々の電子線励起コヒーレント発光について、分光および光子統計計測を行い、特性を明らかにすること」を行った。
理論では、先行研究も踏まえた上で、電子と光子の量子もつれ状態を一般性を持った形でモデル化し、電子のエネルギー幅、光子のスペクトル幅といった条件を変化させながら、量子もつれの量がどのように変化するかを明らかにした。これによって、電子と光子の量子もつれの発現条件が確かに存在し、実験的な検証に必要な生成条件が判明した。
実験では、遷移放射、局在プラズモンポラリトン、表面プラズモンポラリトン、チェレンコフ放射、スミス＝パーセル効果の特性を調べ、電子顕微鏡中で可能な電子線励起コヒーレント発光を網羅的に調査し、電子－光子間量子もつれ生成に適したコヒーレント発光の種類や条件をある程度絞ることができた。さらに、この調査を通して付随的ではあるが、光子バンチングを示してしまう電子線励起コヒーレント発光が、まさにコヒーレント状態のようにポアソン分布の光子統計性になっていることを実験的に示すこともできた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2022年度補助事業の期間を延長しているため、2023年度補助事業とオーバーラップしていることもあり、低加速実験用の電子線励起コヒーレント発光の評価が充分に進んでいないものの、電子と光子の量子もつれを検証する実験的な条件については、理論・実験の両側面から確実に進展しており、実際の条件を詰める段階に入っている。それだけでなく、電子線励起コヒ―レント発光について、そのポアソン分布の光子統計性を初めて実験的に明確に示すことができている。これは自由電子レーザーにおける電子と光子の量子状態といった広い観点へも意義がある結果と考えられる。なお、これらの内容を含めて、それぞれ学術論文としてまとめている段階になっている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに電子と光子の量子もつれを実証するにあたっての条件が実験・理論の両側面から絞られており、これらを融合することで、実験装置も考慮した実際の検証条件を算出する。これを満たすように電子線励起コヒーレント発光を生成する試料(おそらくプラズモニック結晶)を設計し作製する。光子の運動量とエネルギー、電子の運動量を選択することで、電子と光子の相関を検証する。なお、実際の検証条件の範囲が狭くなってしまった場合には、直接的な量子もつれの判定に工夫が必要になる可能性があり、その際は理論的にも考察を進める予定である。
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