光格子原子顕微鏡で探索する人工ゲージ場が織り成す非平衡現象

• Project Area: Synergy of Fluctuation and Structure:Foundation of Universal Laws in Nonequilibrium Systems
• Project/Area Number: 26103509
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 上妻 幹旺 東京工業大学, 理工学研究科, 教授 (10302837)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2015: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2014: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 量子気体顕微鏡 / イッテルビウム / レーザー冷却 / 光格子 / ボース凝縮

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、光格子中に捕捉された個々のイッテルビウム（Yb）原子を観測できる「量子気体顕微鏡」を構築し、これを利用して新奇な非平衡現象を探索することにある。昨年度、我々は、世界で初めてYb原子に対する量子気体顕微鏡を実現することに成功した。そこで平成27年度は、光格子中で発現する各種基底状態量子相を量子気体顕微鏡を用いて直接観測することを目指して実験を行った。まず我々は、伝統的な飛行時間法を使って、光格子中で超流動-Mott絶縁体転移が誘起される様子を確認した。具体的には、光格子の深さを増すにつれ、原子波干渉が消失していく様子を観測することに成功した。次に、生成されたMott絶縁体相を、量子気体顕微鏡を用いて直接観測することを試みた。基底状態量子相を観測するためには、各サイトにおける原子の有無だけでなく、原子数そのものを判定する必要性がある。実際には各サイトの原子数は多くても２個程度であるため、原子数の偶奇を見分けることができれば目的を十分達成することができる。我々は、光格子中の原子に対し、光会合を誘起するレーザーを照射することで、この目的を達成することにした。Mott絶縁相にある原子気体に対して光会合光を照射した後、量子気体顕微鏡を使って原子気体の直接観測を行ったが、Mott絶縁体相特有のMott shell構造を確認するには至らなかった。Mott shellを観測するためには、光格子系の温度が1nK程度にまで下がっている必要性がある。光格子系の加熱レートを別途実験的に評価したところ、およそ30nK/secであることが判明し、上記した超低温度下における観測を実行することが難しいことが判明した。今後、系の加熱を誘起している各種ノイズを抑圧することで、基底状態量子相の直接観測が可能となり、クエンチに代表される非平衡現象を対象とした実験が可能になるものと考えている。

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Site-resolved imaging of ytterbium atoms in a two-dimensional optical lattice (2015)
  • Author(s): M. Miranda, R. Inoue, Y. Okuyama, A. Nakamoto and M. Kozuma
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 91 Issue: 6 Pages: 063414-063414
  • DOI: 10.1103/physreva.91.063414
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Injection locking of a high power ultraviolet laser diode for laser cooling of ytterbium atoms (2015)
  • Author(s): Toshiyuki Hosoya, Martin Miranda, Ryotaro Inoue and Mikio Kozuma
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 86 Issue: 7 Pages: 073110-073110
  • DOI: 10.1063/1.4927132
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Site-resolved imaging of ytterbium atoms in a two-dimensional optical lattice (2014)
  • Author(s): M. Miranda, R. Inoue, Y. Okuyama, M. Kozuma
  • Journal Title: arXiv Volume: 1410.5189 Pages: 1-4
  • Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Injection locking of a high power ultraviolet laser diode for laser cooling of ytterbium atoms (2014)
  • Author(s): Toshiyuki Hosoya, Martin Miranda, Ryotaro Inoue and Mikio Kozuma
  • Journal Title: arXiv Volume: 1412.0794 Pages: 1-5
  • Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] Quantum microscope of Ytterbium atoms (2016)
  • Author(s): Mikio Kozuma
  • Organizer: CEMS Topical Meeting on Cold Atoms
  • Place of Presentation: 理化学研究所
  • Year and Date: 2016-06-10
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Yb量子気体顕微鏡を用いた超流動-Mott絶縁体相転移の観測 (2016)
  • Author(s): 反保尚基、正村泉、ミランダ・マルティン、荻野嵩大、井上遼太郎、上妻幹旺
  • Organizer: 日本物理学会 第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] Yb量子気体顕微鏡における3P2準安定状態の利用に向けたラビ振動の評価 (2016)
  • Author(s): 正村泉、反保尚基、 ミランダ・マルティン、 荻野嵩大、 井上遼太郎、 上妻幹旺
  • Organizer: 日本物理学会 第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] ユウロピウム原子のレーザー冷却に向けた準安定状態原子ビームの生成 (2016)
  • Author(s): 西田慶次、宮澤裕貴、 小方拓也、 井上遼太郎、上妻幹旺
  • Organizer: 日本物理学会 第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] 準安定状態ユウロピウム原子のゼーマン減速 (2016)
  • Author(s): 宮澤裕貴、西田慶次、 小方拓也、 井上遼太郎、上妻幹旺
  • Organizer: 日本物理学会 第71回年次大会
  • Place of Presentation: 東北学院大学
  • Year and Date: 2016-03-19
• [Presentation] イッテルビウム量子気体顕微鏡 (2016)
  • Author(s): 上妻 幹旺
  • Organizer: 新学術研究「ゆらぎと構造の協奏」班会議
  • Place of Presentation: 学習院大学
  • Year and Date: 2016-03-09
• [Presentation] Eu原子のa8S7/2→y8P9/2冷却遷移における分枝比の測定 (2015)
  • Author(s): 宮澤裕貴、西田慶次、 細谷俊之、 井上遼太郎、 上妻幹旺
  • Organizer: 日本物理学会 2015年秋季大会
  • Place of Presentation: 関西大学
  • Year and Date: 2015-09-16
• [Presentation] Quantum Gas Microscope with Ytterbium (2015)
  • Author(s): R. Inoue
  • Organizer: International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2015
  • Place of Presentation: 京都大学
  • Year and Date: 2015-08-20
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] レーザー冷却された極低温原子が切り拓く新技術 (2015)
  • Author(s): 上妻 幹旺
  • Organizer: 第8回燕理会講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
  • Year and Date: 2015-05-20
  • Invited
• [Presentation] 単一原子の観測と制御 (2015)
  • Author(s): 上妻 幹旺
  • Organizer: 第22回量子情報関東Student Chapter講演会
  • Place of Presentation: 東京工業大学
  • Year and Date: 2015-05-13
  • Invited
• [Presentation] 光格子中に捕捉された量子縮退Yb原子気体の蛍光顕微鏡観測 (2015)
  • Author(s): 上妻 幹旺
  • Organizer: 新学術研究「ゆらぎと構造の協奏」公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 2015-05-01
• [Presentation] Eu原子の磁気光学トラップ (2015)
  • Author(s): 西田慶次，井上遼太郎，細谷俊之，宮澤裕貴，上妻幹旺
  • Organizer: 日本物理学会 第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学 早稲田キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] Yb原子量子気体顕微鏡の実現 (2015)
  • Author(s): Miranda Martin，井上遼太郎，中本顕正，奥山勇貴，上妻幹旺
  • Organizer: 日本物理学会 第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学 早稲田キャンパス
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] 原子を使ったコンピューター (2014)
  • Author(s): 上妻 幹旺
  • Organizer: 群馬県立高崎高等学校 講演会
  • Place of Presentation: 群馬県立高崎高等学校
  • Year and Date: 2014-11-18
  • Invited
• [Presentation] Yb光格子顕微鏡の開発とEu原子のレーザー冷却 (2014)
  • Author(s): 井上 遼太郎、上妻 幹旺
  • Organizer: 新学術領域研究 ゆらぎと構造の協奏 冷却原子研究会
  • Place of Presentation: 学習院大学
  • Year and Date: 2014-11-03
• [Presentation] Injection locking of a high power ultraviolet laser diode for laser cooling of ytterbium atoms (2014)
  • Author(s): Toshiyuki Hosoya, Ryotaro Inoue, Mikio Kozuma
  • Organizer: The 24th International Conference on atomic Phyics
  • Place of Presentation: Washington, D. C. USA
  • Year and Date: 2014-08-03 – 2014-08-08
• [Presentation] Quantum gas microscope of yttebium atoms (2014)
  • Author(s): Martin Miranda, Yuki Okuyama, Ryotaro Inoue, Mikio Kozuma
  • Organizer: The 24th International Conference on atomic Phyics
  • Place of Presentation: Washington, D. C. USA
  • Year and Date: 2014-08-03 – 2014-08-08
• [Remarks] 光と原子で人工結晶 東工大 作出に成功、個々の原子を直接観測
  • URL: http://www.kozuma.phys.titech.ac.jp/news%20Yb%20microscope.pdf
• [Remarks] 単一原子分解能で観測する「光と原子で作られた人工結晶」－人工物質を使って高温超伝導の謎に迫る－
  • URL: http://www.titech.ac.jp/news/2015/031669.html
• [Remarks] 量子気体顕微鏡
  • URL: http://www.kozuma.phys.titech.ac.jp/research_category/entry7.html
• [Remarks] 物性物理学専攻 上妻研究室 ホームページ
  • URL: http://www.phys.titech.ac.jp/laboratory/kozuma.html
• [Remarks] 上妻研究室 ホームページ
  • URL: http://www.kozuma.phys.titech.ac.jp/