2017 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 |
光格子中の横磁場イジングモデルの実現のためには、磁気モーメントを持つ電子励起状態である3P2 状態のイッテルビウム原子を光格子に導入する必要があるが、原子同士の非弾性衝突によりこの系は散逸を持つ量子多体系となる。本年度は、これらを背景に昨年度から研究を進めてきた散逸のあるボース・ハバード系における量子多体現象に関して得られた成果を、論文及び学会において発表した。
また、光格子中における原子状態を観測するために有効となる量子気体顕微鏡（以下QGM）を用いて、スピン状態の観測及び観測結果に基づいた局所的な量子状態操作を行う研究を行った。特定の原子に対して状態操作を行うためには、局所的に集光された光（局所光）を照射する必要があるため、微小なミラーが集積されたデジタル・マイクロミラー・デバイス（以下DMD）を用いて任意形状の光パターンを形成し原子に照射する実験を行った。光格子中の原子位置をQGMにより撮影し、その中から選び出した複数の原子に対して局所的に光を照射することができるプログラムを開発した。さらに、局所光を光格子中の原子に実際に照射し、照射された部分の原子のみが影響を受けることを観測した。
上記の実験と並行して、より高い解像度を持つ新規QGMの設計と開発を進めた。今年度は、真空ガラスセルの設計および発注、レーザー光により構成するポテンシャル形状とそれに必要な光源性能の評価、原子の冷却手法の検討、光源の開発、3次元CADを用いた光学系の設計を行った。
設計と並行して、新規QGM光源のための基礎的な実験を進めた。新規QGMでは、ガラスセルの表面近くに原子を運搬し2次元系を実現するために、光格子用の光学系に加えて、原子運搬用の光学系とポテンシャルを圧縮する光学系を構築する必要がある。これらの実現のために、光学系に発生する収差の実験的評価と、光の検出装置の開発を進めた。
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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
これまで研究を進めてきた散逸のあるボース・ハバード系における量子多体現象の解明について、その成果をまとめ論文として公表し、複数の学会にて報告することができた。また、現在我々が実験で使用している量子気体顕微鏡の解像度では、原子の内部状態を正確に観測するには不十分と判断し、今年度はさらに高い解像度を持つ量子気体顕微鏡の開発を進めた。装置の設計を進めるとともに、光学系の開発やその基本的な性能の評価を行うことができた。また、設計と評価を進めるうえでこれらの改善点が明らかになり、その対応について議論を進めることができている。従って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の開発を引き続き進める。具体的には、開口数を向上させるレンズを内蔵したガラスセルの開発と装置への組み込みの後、原子をトラップ・励起させるための光学系を統合する。これまでに培われた装置の調整方法をもとに、効率良く光格子中の孤立原子の観測を行う。
上記の開発と並行して、これまでとは異なる方法を用いた原子の冷却方法を確立するための実験を行う。これは、新しい量子気体顕微鏡では光格子に用いる光の波長が異なるため従来用いていた原子の冷却手法が使えなくなるためである。初めに量子気体顕微鏡とは別の真空チャンバーを用いて冷却効率の評価を進め、次に得られた知見を量子気体顕微鏡の装置へ反映させ、パラメータの調整等を行う。
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