2018 Fiscal Year Annual Research Report
量子気体顕微鏡を用いた光格子系におけるエントロピー制御
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17H02934
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
上妻 幹旺 東京工業大学, 理学院, 教授 (10302837)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 光格子 / 量子シミュレーション / イッテルビウム / 量子縮退 / 量子エレクトロニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光の定在波が作り出す微弱なポテンシャル中に量子縮退に至った極低温の原子集団を捕捉した系は「光格子系」と呼ばれ、固体物性を量子的にシミュレートする理想的な系として着目をされている。系のパラメーターを自在に制御できる大自由度量子多体系と称される光格子系だが、実は単一原子あたりのエントロピー S/N を十分に下げることが出来ず、高温超伝導やフラストレーション磁性に代表される固体物性の重要な課題にアプローチが出来ないという本質的な問題をかかえている。本研究では、適切な原子種、光波長を選定し、レーザーの強度雑音・周波数雑音を極限まで抑圧するとともに、Filter冷却を施すことで光格子系がもつこの問題を抜本的に解決することを目指す。具体的には、光格子中における単一原子あたりのエントロピーS/Nを0.35kBに比べて十分に低下させることを最終的な目的としている。平成30年度、我々は173Ybフェルミ原子気体がもつ6つの核スピン成分に対して適切な光ポンピングを行うことで、これを2成分にすることに成功した。また通常の蒸発冷却を通して系の温度を低下させ、フェルミ縮退領域に至らせることにも成功した。さらにフェルミ縮退した2成分原子気体を2次元光格子中に導入し、Mott絶縁体相を誘起することができた。量子気体顕微鏡によってサイトを分解した原子の空間分布画像を取得したところ、Mott絶縁体相特有のshell構造を確認することができた。
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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
本研究の最終目的は1原子あたりのエントロピーS/Nを0.35kBに比べて十分に低下させることにあるが、そのためには系がもつエントロピーをスピン由来のものも含めて正確に評価する技術を確立することが必須となる。H30年度の研究を通し、我々は2成分原子気体中で発現したMott絶縁体相を、量子気体顕微鏡を用いて実空間観測することに成功した。これにより光格子中の各サイトをYb原子が1個ずつ占有する状態を生成・確認することが出来るようになった。一度この状態が得られれば、光格子中の原子をスピン選択的に排除することでスピンの空間分布を原子の有無としてマッピングし、量子気体顕微鏡を使って系のエントロピーを評価することが可能となる。今年度の研究を通し、本課題の最終目的に到達するための重要な足がかりが得られたことから、研究は「おおむね順調に進展している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
系のエントロピー S/N を0.35kBに比べて十分に低下させるためには、通常の蒸発冷却に加え、Filter冷却と呼ばれる手法を施す必要がある。具体的にはデジタルミラーデバイス(DMD)を使って現在使用している2次元光格子に適切なポテンシャルを加え、バンド絶縁体相と金属相とが空間的に分離された状況を作り出す。系の主たるエントロピーは金属相が有するため、これを排除した後、断熱的にポテンシャル形状を緩めることでMott絶縁体相を誘起する。実際には、系全体のエントロピーが十分に低い状態になっていることが予想されるため、原子系にスピン秩序が現れ、反強磁性相が得られることが期待される。レーザーによってスピン選択的に原子を排除した後、量子気体顕微鏡による実空間観測を行えば、系のエントロピーを評価することが可能となる。かくして、本研究の最終目的である S/N << 0.35kBの実現を狙う。
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