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2014 Fiscal Year Annual Research Report

2次元イッテルビウム量子縮退ガスを用いた大規模エンタングルメント状態の生成

Research Project

Project/Area Number 13J03745
Research InstitutionTokyo Institute of Technology

Principal Investigator

MIRANDA MARTINSANTIAGO  東京工業大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2013-04-01 – 2016-03-31
Keywords量子気体顕微鏡 / レーザー冷却 / イッテルビウム / 光格子 / ボース凝縮
Outline of Annual Research Achievements

私は、イッテルビウム(Yb)原子を2次元光格子にトラップすることで、大規模なエンタングルメント状態を生成することを目指している。その第一段階として、光格子に原子をトラップし、「量子気体顕微鏡」で原子の蛍光を画像化することに成功した。
量子気体顕微鏡では2次元光格子にトラップされている原子に励起光を当てて、各サイトの原子が放出した蛍光をCCD カメラを使って高分解能で観測する。明瞭な画像を得るためには、1原子あたりおよそ1万個の光子が必要とされるが、光子の放出に伴い、原子が急速に加熱されることが問題となる。これまで多くの研究者がこの加熱を抑えるために、原子を冷却する必要があると考えていた。これに対し私は、100mK程度の深いポテンシャルを準備し、励起光(波長399nm) による加熱を単純に抑え込んでしまうという方法をとることにした。このように深いポテンシャルを基底状態に作ろうとすると、様々な問題が発生することが知られている。私は基底状態ではなく、励起状態に深いポテンシャルを形成するという手法をとり、問題を回避した。撮像時、励起光を照射すると、基底状態と励起状態がカップリングするため原子に対して十分深いポテンシャルを与えることができる。実際に格子間隔が543nmの2次元光格子を固浸レンズの直下2μm の場所に構築し、励起光を照射することで、320nm(FWHM) という高分解能で個々のサイトを観察することに成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

アルカリ原子であるルビジウム(Rb)に対する量子気体顕微鏡が実現されて以来、フェルミオン同位体を有する原子種に対して顕微鏡を実現することが世界的に急務となった。候補となる原子種として、カリウム(K)、リチウム(Li)、イッテルビウム(Yb)が注目されていたが、Rb原子特有の冷却手法を活用できないことが大きな障壁となっていた。私は、「サイト内で原子を冷却しなければならない」という固定観念を捨て、「顕微観測中の原子の加熱に耐えうる深いポテンシャルを形成する」という全く新しい発想にたって研究を進めた。その結果、世界で初めて、フェルミオン同位体を有する新しい原子種に対して量子気体顕微鏡を構築することに成功した。本研究に関する競争の激しさは、我々が論文を投稿した後、Harvard大、 MIT、そしてStrathclyde大の3グループが、ほぼ同時にK、Liに関する成果をarXivに投稿したことからも理解される。以上より、本研究が当初の計画以上に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

本研究では、Yb原子が有する核スピンを利用して大規模なエンタングルメント状態を生成することを計画している。現在、量子気体顕微鏡の観測対象としている174Yb(ボソン)は核スピンをもたないため、次のステップとして、171Yb(フェルミオン)に対して量子気体顕微鏡を実現することを目指す。私が考えた手法はYbのどの同位体に対しても原理的に有効であるため、一度光格子中に原子をトラップしてしまえば、171Ybを蛍光顕微観測すること自体は問題なく行えると考えている。しかしながら光格子中に原子をトラップするためには、171Ybを十分冷却する必要があり、そのためには蒸発冷却を施さなければならない。174Ybと異なり、171Ybは極めて小さな散乱長しかもたないため、単体で蒸発冷却を施すことは難しい。そこでまず、171Ybと173Ybを混合し、協同冷却を施すことで、目的を達成しようと考えている。

  • Research Products

    (4 results)

All 2015 2014

All Journal Article (1 results) (of which Open Access: 1 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (3 results)

  • [Journal Article] Site-resolved imaging of ytterbium atoms in a two-dimensional optical lattice2015

    • Author(s)
      Martin Miranda, Ryotaro Inoue, Yuki Okuyama, Akimasa Nakamoto, Mikio Kozuma
    • Journal Title

      arXiv:1410.5189 [cond-mat.quant-gas]

      Volume: 1410.5189 Pages: 1-7

    • Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [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69回年次大会
    • Place of Presentation
      早稲田大学早稲田キャンパス  日本国東京都新宿区
    • Year and Date
      2015-03-23 – 2015-03-23
  • [Presentation] Realization of a quantum gas microscope of ytterbium atoms2014

    • Author(s)
      Martin Miranda, Yuki Okuyama, Ryotaro Inoue, and Mikio Kozuma
    • Organizer
      Okinawa CQD 2014
    • Place of Presentation
      OIST Seaside House, Tancha, Onna-son, Kunigami-gun, Okinawa, Japan
    • Year and Date
      2014-08-16 – 2014-08-25
  • [Presentation] Quantum gas microscope of ytterbium atoms2014

    • Author(s)
      Martin Miranda, Yuki Okuyama, Ryotaro Inoue, and Mikio Kozuma
    • Organizer
      24th International Conference on Atomic Physics
    • Place of Presentation
      Mayflower Renaissance Hotel, Washington D.C., United States of America
    • Year and Date
      2014-08-03 – 2014-08-08

URL: 

Published: 2016-06-01  

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