2014 Fiscal Year Annual Research Report
多成分ボース・アインシュタイン凝縮体の非平衡ダイナミクス
| Project Area | Synergy of Fluctuation and Structure:Foundation of Universal Laws in Nonequilibrium Systems |
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| Project/Area Number |
25103007
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| Research Institution | Gakushuin University |
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Principal Investigator |
平野 琢也 学習院大学, 理学部, 教授 (00251330)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
斎藤 弘樹 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (60334497)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | 冷却原子 / ボース・アインシュタイン凝縮 / 非平衡臨界現象 / 量子渦 / スピンドメイン / 磁気双極子相互作用 / 異方性浸透現象クラス / 量子渦乱流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
学習院大学の実験グループでは、光トラップ中のスピン自由度を持った87Rbボース・アインシュタイン凝縮体 (BEC) を用いて、スピノールBECの磁気双極子相互作用による空間構造形成に関する研究、２成分BECの自発的な空間構造形成と流動性に関する実験等を行った。磁気双極子相互作用に関する研究では、BECのスピン自由度と高い空間コヒーレンスを巧みに利用し、BECスピンの空間構造形成を観測することに成功した。また、2成分BECの非混和性により形成される自発的な空間構造形成が2成分BECの流動性にどのような影響をもたらすのかを実験と理論シミュレーションから明らかにした。
学習院大学理論グループでは、量子流体の層流―渦糸乱流転移について、研究班をまたいだ共同研究を行い、転移の独立した臨界指数3つを全て得ることに成功した。そして、その臨界指数からこの非平衡相転移が異方的浸透現象(DP)クラスに属することを明らかにした。
電気通信大学の理論グループでは、スピノールBECに関する研究、量子渦生成に関する研究、およびリングトラップ中のスピノールBECに関する研究を行った。スピノールBECに関する研究では、量子渦対が磁性相間の界面を通過するようなダイナミクスを研究し、通過後に様々なスピン渦対が生成されることが明らかになった。量子渦生成に関する研究では、速度を徐々に上げていった時に量子渦が生成する速度と、速度を徐々に下げていった時に量子渦生成が止まる速度が異なることを示し、ヒステリシスが存在することを明らかにした。リングトラップ中のスピノールBECに関する研究では、スピンテクスチャー状態を示すGross-Pitaevskii方程式の準安定な解析解を見出し、Nambu-Goldstoneモードとの関連を明らかにした。
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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
実験グループの研究計画は、超流動体の不安定界面とスピン構造の非平衡ダイナミクスを探求することであった。スピン構造については、磁気双極子相互作用という非等方な長距離力によってスピンテクスチャーが生成されることを実験及び数値シミュレーションにより明らかにすることができた。本研究成果は、スピン状態に依っては、微弱な磁気双極子相互作用がBECスピンのダイナミクスに大きな影響を与えることを示すものであり、スピン自由度を持つBECの非平衡ダイナミクスの可能性を広げることができた。超流動体の界面については、自発的に形成される構造と、勾配ポテンシャルにより生成される2成分BECの流れが互いに及ぼす影響を実験及び理論的に明らかにすることができた。
学習院大学理論グループの研究計画は、数値シミュレーションを用いて非平衡ダイナミクスの普遍性を探索することであった。今年度は、量子流体の層流―渦糸乱流転移の普遍クラスを特定するという点において、順調に研究を進めることができた。
電気通信大学理論グループの平成２６年度の計画は学習院大の実験グループを理論的にサポートすることと、BECの界面揺らぎに関する数値シミュレーションを行うことであった。前者に関しては、実験グループと共同で執筆した論文中において、実験結果を数値計算によって説明するなど、十分に達成することができた。一方、後者に関しては、当初の計画から僅かな変更があった。直接的にBECの界面の揺らぎを研究するのではなく、量子渦対がBEC界面を通過するダイナミクスを研究した。その際、量子渦対とBEC界面との間の相互作用により、多彩なトポロジカル現象が見られた。これによって、BEC界面に関する新たな知見が得られ、今後の研究にも活かすことができる。
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| Strategy for Future Research Activity |
実験グループでは、２成分BECにおける２次元的な相分離ダイナミクスや、２成分長流体の不安定界面等の非平衡現象に関する研究を行う。BECを捕獲している光双極子力トラップを２次元的な広がりを持つ形状に改良し、フェッシュバッハ共鳴法を用いて原子間相互作用の大きさを制御するか、もしくは原子間相互作用の大きさが異なる様々なペアの２成分系を、改良した光トラップ中に準備し、相分離による二次元的なパターン形成のダイナミクスを解明する。更に、磁場勾配を利用することにより２成分超流動体に界面を生成し、界面不安定性により生じる構造形成の研究を行う。
学習院大学の理論グループでは、数値シミュレーションにおいて得られた結果を元に、非平衡臨界現象の本質的な理論的理解を試みる。また、多成分の量子流体について拡張し、普遍クラスがどのように変わるか、研究を発展させるとともに、実験研究に理論面での協力を行う。
電気通信大学の理論グループでは、数値シミュレーションを用いた実験のサポートおよび多成分BECにおける新しい非平衡ダイナミクスの探求を行う。今年度後半で多成分BECにおけるマグノン励起の研究において新しい進展があったため、今後はこの研究をさらに推し進めて、マグノンの新しいダイナミクスを数値シミュレーションを用いて見出すとともに、より正確な解析手法を模索する。それに加えて、多成分BECの界面不安定性について引き続き研究を進める。レイリー・テイラー不安定性やケルビン・ヘルムホルツ不安定性によって界面ゆらぎがどのように成長するかを明らかにする。また、学習院大学の実験グループが実施する実験の条件に合わせたシミュレーションを行うことによって実験結果を解析したり新たな実験の提案を行う。
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