2018 Fiscal Year Annual Research Report
Universal physics of quantum matter for the state change and the phase change
| Project Area | Clustering as a window on the hierarchical structure of quantum systems |
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| Project/Area Number |
18H05406
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
堀越 宗一 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (00581787)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大橋 洋士 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (60272134)
飯田 圭 高知大学, 教育研究部自然科学系理工学部門, 教授 (90432814)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 冷却原子実験 / 凝縮系物理学 / 原子核物理学 / 量子多体系 / 強相関フェルミ粒子系 / 非平衡物理学 / 量子流体 / 量子シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本新学術領域研究では、ハドロン物理学、原子核物理学、原子物理学、分子科学分野の研究者の力を結集し、スケールが何桁も異なる物質層を支配する量子多体系の研究を進めている。我々C02班は冷却原子を用いた量子シミュレーション実験により、「冷却フェルミ原子気体の高い操作性を駆使し、量子クラスター形成としてのフェルミ粒子対形成や、自由度の中和過程としてのフェルミ対のボソン化、および、そうした現象に起因する量子多体効果の全容を解明すること」を目指している。
今年度は重イオン衝突実験に見られる流体力学的振る舞いと、その量子多体系中で生じる量子クラスター生成のダイナミクスを冷却原子系でシミュレートするために、「ユニタリー領域における体積粘性の測定」を進展させた。特に東京工業大学の西田祐介准教授との共同研究により、冷却原子の散乱長を時間変化に変化させることで仮想的に体積変化を引き起こし、粒子の体積粘性率によって内部エネルギーが上昇する事を実験的に観測した。また、量子クラスターの乖離と形成のダイナミクスを観測するため、「フェッシュバッハ分子の吸収分光」を試み、量子クラスターのみを観測できる可能性を見出した。
分担の理論研究では「冷却フェルミ原子気体の等温圧縮率」を理論的に研究し、２体の量子クラスター間に働く斥力相互作用を、自己無撞着T行列近似の範囲で考慮し、正常相での温度依存性をBCS-BECクロスオーバー全域で明らかにした。これにより、圧縮率の温度変化はCooper対間相互作用を研究するうえで有効な物理量であることが明らかとなった。またハドロン系の量子多体系においては、不純物粒子が媒質中の励起を伴って形成するポーラロンの物理がしばしば重要になる。実験可能な冷却原子系でその物理を検証するため、トラップされた弱く相互作用する冷却ボース原子気体中の「ポーラロンの構造の理論研究」を進めた。
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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
初年度は量子クラスターが形成されるBEC領域の状態方程式を高精度に測定する予定であった。しかし、精度を上げる段階で量子クラスターと自由粒子間では、プローブ光に対する応答が異なることに気づき、その原因を探る段階で量子クラスターのみをイメージングできる測定手法を見出した。この測定手法は今後計画している量子クラスターの乖離と形成のダイナミクスを観測するために必須であり、今年度にこの技術が得られたことは大きな成果だといえる。また、ポーラロン問題や、スピン不均一系の状態方程式、有効長の制御実験に関する準備も進んであり、実験に関しては順調に進んでいる。理論研究も実験と同じベクトル、同じペースで進んでおり、良い連携が保たれている。
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| Strategy for Future Research Activity |
冷却原子実験を担当している代表の堀越が2019年4月1日付けで東京大学から大阪市立大学に異動した。それに伴い、実験装置の移動を行う必要が出てきた。東京大学の学生の研究のスケジュールの関係で、2020年の3月に装置の移動を予定している。これに伴い長期的な実験は装置の移動後に計画し、先に短期間で行える研究課題を集中して行う。特に、体積粘性率測定の実験では高温領域の実験データが欠けており、速やかにデータ取得を行う。また、本年度得られた量子クラスターの観測手法は、３体以上の量子クラスターに関しても適応できる可能性が大きく、エフィモフ三量体に対しても同実験を行う予定である。
今年度は実現できなかったが、来年度からは我々のC02班で定期的に会合を行い、実験と理論の連携を強化していく。
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