2016 Fiscal Year Annual Research Report
光格子中の冷却原子を用いた横磁場イジングモデルの量子シミュレーション
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16J01590
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
富田 隆文 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | 原子・分子 / 量子エレクトロニクス / 冷却原子 / 光格子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、光格子中の冷却原子を用いて横磁場イジングモデルの量子シミュレーションを行い、その量子相転移・量子臨界現象の振舞いの詳細を明らかにすることを目的としている。光格子中での横磁場イジングモデルの実現には、磁気モーメントを持つ準安定電子励起状態のイッテルビウム(Yb)原子を光格子中に導入することが必要となる。しかし、この内部状態にある原子は、衝突時に非弾性散乱を起こすことが知られており、系の安定性を明らかにすることは重要な意味を持つ。本年度は、このような非弾性散乱を有するボース気体の光格子中における振舞いを系統的に研究し、その性質を詳細に明らかにすることに成功した。
具体的には、3次元光格子中に導入されたボース粒子174Yb原子に対し、光会合を誘起する光を照射することで、分子生成過程を経由した非弾性散乱を人工的に作り出し、非弾性散乱による散逸が系の寿命に与える影響を測定した。光会合を誘起する光の強度を変化させることで散逸の強さを制御できるため、幅広く系統的な測定が可能である。この系において、強い散逸の下では、散逸を強めるにしたがって寿命が延びるという量子ゼノ効果の観測に成功した。さらに、モット絶縁体-超流動相転移を散逸がある下で観測し、強い散逸がモット絶縁体状態の融解を遅らせ、量子コヒーレンスの発現を妨げることを明らかにした。これらの知見は、開放系における量子多体現象を理解する上でも重要な意義を持つ。
上記の研究と並行して、量子気体顕微鏡を用いた個別スピン操作に向けて、デジタルマイクロミラーデバイス（DMD）を用いた局所的なレーザー光の実装実験を行った。DMDを含む光学系を作成し、DMDからの回折光の集光位置で任意形状の光パターン形成を確認した。次に、この光を原子に照射し、斥力ポテンシャルを局所的に作成し、ポテンシャルを避けるように原子が分布していることを直接観測した。
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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
磁気双極子相互作用のある内部状態に励起された原子を光格子中に導入した際の系の振舞を詳細に測定し、横磁場イジングモデル系を構築するにあたり必要な、系の安定度や原子のトンネリングの振舞いなどの基本的な特性を明らかにした。また、単一原子制御に向けた装置の開発も進め、特にDMDの性能評価を行うことができた。局所的な光が原子に与える影響を観測し、単一原子制御に向けた方針が具体化されたことから、本年度の課題の進展は順調であると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
高解像度の量子気体顕微鏡および単一原子制御のための装置の開発およびその性能の検証を引き続き進める。より高い集光効率および解像度の向上のためには、これまで開発を進めてきた現有の量子気体顕微鏡の知見を基礎として、開口数の大きい対物レンズを導入した新規量子気体顕微鏡の開発が必要である、と判断した。そのため新規光学系の設計・開発を進める。また、DMDによる単一原子制御については、光学系の設計と実装された装置との性能の違いや評価のために作成した試験系との違いを詳細に検証し、より高精度制御の可能な装置開発を行う。これにより、スピン状態の検出、スピン相関の有無の評価を行うことを目指す。
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| Remarks |
Best Student Poster Award (International Conference on Atomic Physics 2016)
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