2015 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, 情報理工学(系)研究科, 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 / 混和性 / マグノン励起 / 磁気双極子相互作用 / DP普遍クラス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
混和性の違いが平衡から遠く離れた多成分BECのダイナミクスにどのような影響をもたらすのかを明らかにすることを目的とした研究を行い、混ざり合うBEC間の反発やドメイン形成、混和性に敏感な混ざり合わないBEC間の通過など、一見直観に反する多様な振る舞いの観測に成功した。また、混ざり合わないBECにおける相分離ダイナミクスと外場による原子の内部状態遷移を利用することにより、混ざり合うBECの空間構造を制御することに成功した。更に、本手法を利用し、空間的な非平衡ダイナミクスを誘起し、振動的に変化する多様な空間パターンの観測に成功した。
電通大理論グループでは、スピノールBECのマグノン励起に関する研究および量子流体に関する研究を行った。強磁性相互作用するスピン１のBECにおけるマグノン励起について、磁気双極子相互作用の効果を取り入れた平均場方程式を数値的に解くことにより、実験で測定された分散関係のずれが確かにルビジウム原子間の磁気双極子相互作用によるものであることを定量的に確かめ、もし磁気双極子相互作用のような長距離相互作用がない場合には、マグノンの励起エネルギーに上限が存在することを解析的方法で厳密に証明した。また、超流動体中で泳ぐことができるかを、平均場近似の範囲内で数値的に研究し、泳者が量子渦を発生する場合、しない場合ともに自己推進が可能であることが示された。
学習院大学理論グループでは、超流動体における層流-渦糸乱流転移の非平衡臨界現象の詳細な研究を行い、転移点よりも下で、ランダムな揺動による効果を受けて渦の生成が起こっていること、それらの統計性はボルツマン分布と一致することから、熱的効果が入っていることを示し、さらに、DP普遍クラスが明確に現れる領域での渦の統計性を見ると、べき的な振る舞いをしており、それが何らかのスケール普遍性を持った状態であることを明らかにした。
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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
本研究の目的は、多成分量子凝縮体を非平衡系として捉え、そこに現れる非平衡構造（密度分布、スピンテクスチャー）の時間発展とゆらぎを実時間で観測し、秩序形成についての物理的理解を深めることである。理論と実験の密接な協力体制で研究を進め、領域内の他の研究班とも連携することで普遍的な現象の解明を目指して研究を実施した。研究はおおむね順調に進展し、学習院大学と電気通信大学の実験・理論グループの共同で研究を行い、多成分ボース・アインシュタイン凝縮体（BEC）の混和性が流れや空間構造形成のような非平衡ダイナミクスにどのような影響を与えるのかを明らかにすることができた。パターン形成に代表される空間的な非平衡ダイナミクスについても、混ざり合うBECの空間構造を制御することに初めて成功し、空間的な非平衡ダイナミクスを誘起し、振動的に変化する多様な空間パターンの観測することができた。そして、理論シミュレーションとの比較から、振動のダイナミクスが系の全エネルギーと密に関連することを明らかにした。平成２７年度の交付申請書に記載した光双極子力トラップの形状の改良についても、光トラップ用のビームを新たに導入し、実験装置の改良について進展があった。また、電気通信大学と学習院大学の理論グループでは、スピノールBECのマグノン励起に関する研究、超流動体における層流-渦糸乱流転移の非平衡臨界現象に関する研究等も行い、これらも順調に進展した。マグノン励起については、磁場の向きを変えるだけで、ずれの符号が逆転することを理論的に示した。マグノンの励起エネルギーに上限が存在することを解析的方法で厳密に証明した結果は、フェルミ粒子系や格子系にも応用できるものであり、量子多体計算などによる補正に対して、厳密な指針を与えることができる。
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| Strategy for Future Research Activity |
学習院大学の実験グループでは、2成分BECにおける2次元的な相分離ダイナミクス、2成分超流体の不安定界面、ラビ振動による２成分ＢＥＣのダイナミクス等の非平衡現象に関する研究を行う。昨年度整備した追加の光ビームを用いてBECを捕獲する光双極子力トラップの形状を変化させ、１次元的な形状から2次元的な広がりを持つ形状の光トラップ中のスピノールBECの非平衡ダイナミクスを明らかにする。また、フェッシュバッハ共鳴法による原子間相互作用の制御、もしくは原子間相互作用の大きさが異なる様々2成分系を用い、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相分離による2次元的な構造形成と流れのある状況におけるそのダイナミクスの研究を行う。ラビ振動に関する研究では、超微細準位間のマイクロ波による結合、または、磁気副準位間のラジオ波による結合に伴う非平衡ダイナミクスを明らかにする。学習院大学の理論グループでは、内部自由度を持つ量子乱流について、数値シミュレーションを開始し、臨界指数を測定する。また、実験研究に理論面での協力を積極的に行う。
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、および磁気双極子相互作用するBEC（ダイポールBEC）等における新しい非平衡ダイナミクスの探求を行う。今後は、強く相互作用するダイポールBECと量子ゆらぎの関係を明らかにし、新しい構造形成の可能性を追求する。さらに、スピン軌道相互作用するBECの研究にも着手する。スピン軌道相互作用するBECにおいて様々な構造が形成されることが知られているが、それら構造形成におけるゆらぎの効果等について研究する。加えて、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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