2018 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Clustering as a window on the hierarchical structure of quantum systems |
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| Project/Area Number |
18H05405
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
高橋 義朗 京都大学, 理学研究科, 教授 (40226907)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 量子エレクトロニクス / 冷却原子 / 量子シミュレーション / 光格子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
極めて高度なレベルに達している冷却原子系の制御技術のなかでも、特に、原子間の相互作用を磁場により任意かつ精密に実時間制御するフェッシュバッハ共鳴法により、様々な可能性が拓かれつつある。本研究では、冷却原子系として極めて大きな質量比を有するエルビウムとイッテルビウム、およびリチウムの超低温原子混合系を実験的に生成し、その特異な性質を実験的に解明することにより、クラスター階層の物理の理解を深化させることを目標とする。特に、まず、重原子と軽原子間の相互作用を磁場により制御するフェッシュバッハ共鳴法を開発し、次に、「普遍的なクラスター状態」としてのエフィモフ3量体を観測しエネルギー構造の解明を行う。これらにより、階層をつなぐ共通物理現象の理解を深めることに貢献する。
この研究目的に向けて、初年度である昨度度においては、研究期間全体での基礎基盤技術の開発を中心に研究を行い、以下に示す成果を得ることができた。まず、１）エルビウム-イッテルビウム-リチウムの３重原子オーブンの開発、新オーブンでのリチウム-イッテルビウム同時量子縮退の実現、を達成した。さらに、２）エルビウム原子減速用光源（600mW以上の４０1nm光源）の開発、エルビウム原子冷却用光源（583 nm光源）の用意、レーザー周波数安定化システムの構築、を完了した。そして、関連理論研究との議論として、３）新規な角運動量を有するエフィモフ状態の観測可能性の検討、SU(4)シングレット状態に対する原子核と冷却原子系の対応の検討、を開始した。
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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
本研究の目的である、階層を横断したエキゾチックな物性現象の解明に向けて、極低温原子集団、特に、巨大な質量比の超低温原子混合系を実験対象として研究を開始した。まず、重いエルビウム原子と軽いリチウム原子の量子気体混合系の生成に向けて、エルビウム原子のレーザー冷却のための装置を立ち上げることに成功した。１０００℃以上の高温オーブンとイッテルビウム原子とリチウム原子用オーブンが両立した３重ハイブリッド型オーブンを設計・実装して、リチウムおよびイッテルビウム用オーブンとしての性能については評価が完了し、十分な性能がでていることを確認した。
さらに、エルビウム原子冷却用の光源を新規に準備することに成功した。４０1nmの波長の光源は、802nmの高出力光源を準備してその第２高調波を発生させることにより生成させることができた。特に、高効率な第２高調波を発生させる真空排気共振器システムを新たにデザイン・準備し、安定に600nm以上の４０１nmのレーザー光を得ることに成功した。また、583nmの光源を得るための基本波1166 nmレーザーの準備、および導波路型第２高調波発生器の準備も完成した。802nmの光源の周波数安定化は、安定化ヘリウムネオンレーザーを用いて校正された高精度波長計を用いて行い、十分な安定度が得えられていることを確認した。583nmの光源の周波数安定化用の超低膨張ガラスの準備も完了した。
本研究において研究目的に掲げたエフィモフ状態については、理論的研究による検討・評価が極めて重要であるため、関連の理論研究者と密接なる議論を行った。さらに、アルファ核が、我々が最近プラケット光格子中で実現した SU(4)シングレット状態に対応するという新たな知見を見出し、関連理論研究者と議論を開始した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、以下について集中的に研究を進める。
本研究の目的である、階層を横断したエキゾチックな物性現象の解明に向けて、極低温原子集団、特に、巨大な質量比のエルビウムとイッテルビウム、およびリチウムの超低温原子混合系を実験対象として、特異なエフィモフ状態の生成・検出を通じて研究を推進する。昨年度において開発した、重いエルビウム原子と軽いリチウム原子の量子気体混合系の生成用に特化してデザインおよび作成した、エルビウム原子のレーザー冷却のための１０００℃以上の高温オーブンとリチウム原子用オーブンが両立したハイブリッド型オーブンとしての性能を評価することから始める。さらに、これも昨年度に準備した、エルビウム原子冷却用の光源を用いて、エルビウム原子の分光およびレーザー冷却実験を進める。特に４０1nmの波長の光源は、802nmの高出力光源を準備してその第２高調波を発生させることにより生成できているが、これをゼーマン減速および、横方向冷却に実際に用いる。また、583nmの光源は、すでに準備してある１１６８nmの高主力半導体レーザーを、これもすでに準備してある導波路型第２高調波発生器に導入することで生成して、低温のエルビウム原子の生成に用いる。802nmの光源およびの周波数安定化は、安定化ヘリウムネオンレーザーを用いて校正された高精度波長計を用いて成功しているが、その長期安定性を評価する。583nmの光源の周波数安定化は、超低膨張ガラスを用いた共振器に高速フィードバックすることにより行う。以上により、十分冷却されたのちに、それを光トラップに移行して、イッテルビウム原子およびリチウム原子との共同蒸発冷却を行い、量子気体までの冷却を目指し、光格子への導入を目指す。
本研究において研究目的に掲げたテーマは、理論的研究による検討・評価が極めて重要であるため、理論研究者と密接なる議論を行いながら進める。
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[Presentation] Yb原子1S0-3P0遷移分光のための干渉フィルタを用いた外部共振器型半導体レーザーの開発と評価2019
Author(s)
高田佳弘, 中島秀太, 小林淳, 小野滉貴, 天野良樹, 山下和也, 富田隆文, 奥野大地, 肥後本隼也, 中村智裕, 高橋義朗
Organizer
日本物理学会第74回年次大会
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