• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to project page

2018 Fiscal Year Annual Research Report

光格子中超低温原子気体の軌道及びスピン自由度を駆使した新量子物性の開拓

Research Project

Project/Area Number 18H05228
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

高橋 義朗  京都大学, 理学研究科, 教授 (40226907)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 高須 洋介  京都大学, 理学研究科, 助教 (50456844)
段下 一平  近畿大学, 理工学部, 准教授 (90586950)
Project Period (FY) 2018-06-11 – 2023-03-31
Keywords量子エレクトロニクス / 冷却原子 / 量子シミュレーション / 光格子
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、光格子中に導入された極低温原子気体を用いた量子物性に関する独創的な研究として、特に、非標準的な光格子をデザインすることによって初めて可能となる特異な多重軌道の自由度と、2電子系原子のみが特別に有する高スピン対称性SU(N)に着目し、その二つの自由度が織りなすユニークな新量子物性を開拓することを目的としている。原子系として、SU(6)対称性を有するイッテルビウム(Yb)原子量子気体を主な対象とし、また非標準型格子として、平坦バンドを有するリープ格子、基底電子状態と準安定電子状態からなる局在・非局在混合軌道系、などを系のパラメーターを高度に実時間制御して生成し実験を遂行する。光格子の超高空間分解能観測・制御技術を開発して上記研究に適用することにより、量子凝縮相の研究における全く新しい高度な量子シミュレーターを実現することが可能である。
上記の研究に向けて、今年度の研究実績として、まず、1)斥力および引力相互作用するフェルミ縮退原子系の準備とそのリープ格子への導入、副サイト選択原子占有率および2重占有率測定、に成功したことが挙げられる。さらに、2)フェルミ同位体171Yb原子のスピン交換相互作用の決定、局在・非局在2軌道系の実現、局在原子のダイポール振動への影響の観測、スピン交換衝突の観測、およびその定性的な理論的説明、などに成功した。そして、3)等方的な1次元、2次元、3次元の光格子中で、SU(6)スピン系の反強磁性スピン相関を観測、に成功した。最後に、4)非エルミート光格子系の実現とその原子の緩和の観測、に成功し、さらに、非平衡クエンチダイナミクスの実験、およびそのための計算手法開発による定量的な説明、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

設定した研究項目について研究を進め、それぞれにおいて成果を上げることに成功した。具体的な本年度の研究進捗状況は以下の通りである。
A)これまで、リープ格子の新奇なバンド構造に起因する研究を実施してきたが、平成30年度においては、新たに、斥力および引力相互作用するフェルミ系をリープ格子に導入し、サイト選択的に原子占有率および2重占有率の測定を行うことに成功した。これはこの平坦バンド系におけるフェルミ粒子系の相互作用効果を研究する重要な第一歩である。
B)フェルミ同位体171Yb原子のスピン交換相互作用の決定を行い、近藤効果に必要とされる反強磁性スピン交換相互作用を有していることを発見した。さらに、局在された不純物スピンを導入することに成功し、遍歴原子系に誘起されたダイポール振動への影響やスピン交換衝突の振る舞いを明瞭にとらえることに成功し、理論グループとの密接な議論を行い、定性的な理解を得ることに成功した。
C)SU(4)系の量子磁性で実証したポメランチュク冷却を、SU(6)系へ拡張することに成功し、特に、等方的な1次元、2次元、3次元の光格子中で、反強磁性スピン相関を観測することに成功した。
D)Yb原子の光学遷移の特徴を駆使して、空間反転・時間反転(PT)対称な格子を実現することに成功し、その非エルミート格子軌道系での原子の緩和の振る舞いを詳細に調べることに成功した。さらに、軌道の局在・非局在の実時間制御を行い、その非平衡ダイナミクス、特に相関の伝搬を詳細に実験で明らかにするとともに、理論の研究分担者(段下)と密接なる議論を行い、空間一次元系に対しては行列積状態、3次元系に対しては切断ウィグナー近似法を拡張した理論で、定量的に説明できることを見出した。

Strategy for Future Research Activity

今後は、以下について集中的に研究を進める。
1) 局在不純物の物理の解明として、昨年度に、近藤効果の量子シミュレーター実装のため、フェルミ同位体171Yb原子のスピン交換相互作用の決定を行い、反強磁性であることを突き止めたが、この171Yb原子を使った量子輸送の実験を進める。650nmの波長の光格子を用いることで準安定状態の原子のみを局在させ、そこで、基底状態の遍歴する原子のスピン状態の重ね合わせ状態を生成し、局在不純物粒子によるスピンの重ね合わせ状態の変化を高精度に観測技術を開発することによりその振る舞いを明らかにする。この比較対象実験として、斥力相互作用する173原子に対しても同様の実験を行う。
2) SU(6)の等方的な様々な光格子配置へ拡張した量子磁性の実験データ、特にスピン相関に対する実験結果を、海外研究者と共同して、量子モンテカルロなどの理論計算と定量的に比較する。また、プラケット格子中のSU(6)系で実現が期待されているSU(4)一重項の存在を確認するとともに、その非平衡ダイナミクスを実験的に明らかにする。さらに、プラケット格子に導入されたSU(2)フェルミ原子の系についても、研究を進める。
3)昨年度に準備したリドベルグ励起用光源を用いて、まず共鳴を確認する分光実験を行い、それを量子気体に適用する。また「非エルミート格子軌道への拡張」に向けて、昨年準備した、Yb原子の光学遷移の特徴を駆使したPT対称な強相関系を用いて、虚数解の出てくるPT-Broken相と実数解のみのPT-Unbroken相の相転移を観測することを目指す。
また新しい方式の固浸レンズの手法を導入した高空間分解能でスピン敏感な量子気体顕微鏡の開発も進める。上記のすべての研究に関しては、各テーマについて理論の研究分担者(段下)と密接なる議論を行う。

  • Research Products

    (53 results)

All 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 7 results) Presentation (42 results) (of which Int'l Joint Research: 17 results,  Invited: 13 results) Remarks (3 results)

  • [Int'l Joint Research] Georgia Institute of Technology(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      Georgia Institute of Technology
  • [Journal Article] Decay mechanisms of superflow of Bose-Einstein condensates in ring traps2019

    • Author(s)
      M. Kunimi and I. Danshita
    • Journal Title

      Physical Review A

      Volume: 99 Pages: 043613-1-9

    • DOI

      10.1103/PhysRevA.99.043613

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Antiferromagnetic Interorbital Spin-Exchange Interaction of 171Yb2019

    • Author(s)
      Koki Ono, Jun Kobayashi, Yoshiki Amano, Koji Sato, and Yoshiro Takahashi
    • Journal Title

      Phys. Rev. A

      Volume: 99 Pages: 032707-1-7

    • DOI

      10.1103/PhysRevA.99.032707

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Dissipative Bose-Hubbard system with intrinsic two-body loss2019

    • Author(s)
      Takafumi Tomita, Shuta Nakajima, Yosuke Takasu and Yoshiro Takahashi
    • Journal Title

      Phys. Rev. A

      Volume: 99 Pages: 031601-1-6

    • DOI

      10.1103/PhysRevA.99.031601

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Performance of the time-dependent variational principle for matrix product states in long time evolution of a pure state2019

    • Author(s)
      Shimpei Goto, Ippei Danshita
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 99 Pages: 054307-1-8

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.99.054307

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Semiclassical quench dynamics of Bose gases in optical lattices2019

    • Author(s)
      Kazuma Nagao, Masaya Kunimi, Yosuke Takasu, Yoshiro Takahashi, and Ippei Danshita
    • Journal Title

      Phys. Rev. A

      Volume: 99 Pages: 023622-1-11

    • DOI

      10.1103/PhysRevA.99.023622

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Experimental realization of ultracold Yb-7Li mixtures in mixed dimensions2018

    • Author(s)
      F. Schaefer, N. Mizukami, P. Yu, S. Koibuchi, A. Bouscal, and Y. Takahashi,
    • Journal Title

      Phys. Rev. A

      Volume: 98 Pages: 051602-1-6

    • DOI

      10.1103/PhysRevA.98.051602

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Reduction of topological Z classification in cold atomic systems2018

    • Author(s)
      Tsuneya Yoshida, Ippei Danshita, Robert Peters, Norio Kawakami
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 121 Pages: 025301-1-5

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.121.025301

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Yb原子1S0-3P0遷移分光のための干渉フィルタを用いた外部共振器型半導体レーザーの開発と評価2019

    • Author(s)
      高田佳弘, 中島秀太, 小林淳, 小野滉貴, 天野良樹, 山下和也, 富田隆文, 奥野大地, 肥後本隼也, 中村智裕, 高橋義朗
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会
  • [Presentation] SU(3)-discrete truncated-Wigner近似の開発と冷却原子系への応用2019

    • Author(s)
      長尾一馬, 高須洋介, 高橋義朗, 段下一平
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会
  • [Presentation] 光超格子中におけるSU(N)冷却フェルミ気体の多体スピン相関2019

    • Author(s)
      西澤直樹, 田家慎太郎, 八神智哉, 佐久間啓太, 武井宣幸, 高須洋介, 久野義人, 高橋義朗
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会
  • [Presentation] 一般シンポジウム講演「冷却原子を用いた非エルミート量子多体系の実験的研究」2019

    • Author(s)
      高須 洋介
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会
  • [Presentation] 散逸下の光格子中強相関多体系の研究2019

    • Author(s)
      八神智哉, 高須洋介, 久野義人, 富田隆文, 田家慎太郎, 西沢直樹, 佐久間啓太, 高橋義朗
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会
  • [Presentation] 真空スクイーズド状態を用いた光格子中単一原子の非破壊測定の提案2019

    • Author(s)
      奥野大地, 天野良樹, 武井宣幸, 山下和也, 髙田佳弘, 富田隆文, 榎本勝成, 高橋義朗
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会
  • [Presentation] Quantum simulation using two-electron atoms in an optical lattice2019

    • Author(s)
      Yoshiro Takahashi
    • Organizer
      The seminar of the Institute of Physics, Academia Sinica
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Study of SU(N) Quantum Magnetism explored by Ytterbium Optical Lattice Quantum Simulator2019

    • Author(s)
      Yoshiro Takahashi
    • Organizer
      68th CEMS Colloquium
    • Invited
  • [Presentation] 光格子中のフェルミ気体における強相関効果:SYK模型と近藤効果2019

    • Author(s)
      段下一平
    • Organizer
      量子多体系の素核・物性クロスオーバー
    • Invited
  • [Presentation] 局所粒子数ロスを有するBose-Einstein凝縮体のピン留めポテンシャル誘起の双安定性2018

    • Author(s)
      國見昌哉, 段下一平
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会
  • [Presentation] 光格子中の一次元Bose気体におけるダークソリトンの準古典ダイナミクス2018

    • Author(s)
      尾崎裕介, 長尾一馬, 段下一平, 笠松健一
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会
  • [Presentation] 局所粒子数ロスを有するボース凝縮体の双安定性2018

    • Author(s)
      國見昌哉, 段下一平
    • Organizer
      ー非平衡系の物理学ー 階層性と普遍性
  • [Presentation] 局所粒子数ロスを有するボース凝縮体の双安定性2018

    • Author(s)
      國見昌哉, 段下一平
    • Organizer
      局所粒子数ロスを有するボース凝縮体の双安定性
  • [Presentation] Quantum simulation using two-electron atoms in an optical lattice2018

    • Author(s)
      Yoshiro Takahashi
    • Organizer
      685. WE-Heraeus-Seminar on 'Research Frontiers in Ultracold QuantumGases
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 冷却原子量子シミュレーション/Cold atom quantum simulation2018

    • Author(s)
      高橋 義朗/代理 高須 洋介
    • Organizer
      ImPACT山本プログラム 量子情報技術ワークショップ(第五回全体会議)
  • [Presentation] 光格子中Yb原子の高分解能観測系の構築/Construction of high resolution imaging system of ytterbium atoms in an optical lattice2018

    • Author(s)
      奥野 大地, 山下 和也、髙田 佳弘、富田 隆文、武井 宣幸、高橋 義朗
    • Organizer
      ImPACT山本プログラム 量子情報技術ワークショップ(第五回全体会議)
  • [Presentation] 二軌道系による近藤効果の量子シミュレーションに向けて/Towards quantum simulation of the Kondo effect with two-orbital system2018

    • Author(s)
      天野 良樹, 小野 滉貴, 小林 淳, 尾田 直人, Florian Sch?fer, 高橋 義朗
    • Organizer
      ImPACT山本プログラム 量子情報技術ワークショップ(第五回全体会議)
  • [Presentation] Towards measurement of quantum metric tensor for ultracold atoms in an optical lattice2018

    • Author(s)
      Keita Sakuma, Noriyuki Takei, Yoshihito Kuno, Yosuke Takasu, Yoshiro Takahashi
    • Organizer
      International workshop "Variety and universality of bulk-edge correspondence in topological phases: From solid state physics to transdisciplinary concepts" (BEC2018X)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Topological physics explored by ultracold atoms in an optical lattice2018

    • Author(s)
      Yoshiro Takahashi
    • Organizer
      International workshop "Variety and universality of bulk-edge correspondence in topological phases:From solid state physics to transdisciplinary concepts"(BEC2018X)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 冷却原子の高度制御に基づく革新的光格子量子シミュレーター開発2018

    • Author(s)
      高橋 義朗
    • Organizer
      CREST「量子状態の高度な制御に基づく革新的量子技術基盤の創出」第3回公開シンポジウム
  • [Presentation] 極低温原子で紐解く階層横断エキゾチック物性現象2018

    • Author(s)
      高橋 義朗
    • Organizer
      新学術領域「量子クラスターで読み解く物質の階層構造」キックオフシンポジウム
  • [Presentation] Far-from-equilibrium dynamics of the Bose-Hubbard model: Quantum and classical simulations2018

    • Author(s)
      Ippei Danshita
    • Organizer
      International Workshop on Quantum Information, Quantum Computing and Quantum Control
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Kondo Dynamics in Fermionic Alkaline-Earth Atoms at Finite Temperatures2018

    • Author(s)
      Shimpei Goto, Ippei Danshita
    • Organizer
      The ITAMP workshop "Quantum Phases of Fermions in Optical Lattices: The Low-Temperature Frontier"
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Quantum magnetism of ytterbium Fermi gases in an optical lattice2018

    • Author(s)
      Yoshiro Takahashi
    • Organizer
      The ITAMP workshop "Quantum Phases of Fermions in Optical Lattices: The Low-Temperature Frontier"
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Quantum magnetism of ultracold ytterbium Fermi gases in an optical lattice2018

    • Author(s)
      Yoshiro Takahashi
    • Organizer
      7th International Workshop on Ultra-cold Group II Atoms
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Development of SU(N) Antiferromagnetic Correlations in Optical Lattices2018

    • Author(s)
      Shintaro Taie, Hideki Ozawa, Naoki Nishizawa, Yosuke Takasu, Yoshiro Takahashi
    • Organizer
      US-Japan QELS-13( the 13th Japan-US Joint Seminar on Quantum Electronics and Laser Spectroscopy)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Quantum simulation using ultracold ytterbium in an optical lattice2018

    • Author(s)
      Yoshiro Takahashi
    • Organizer
      US-Japan QELS-13( the 13th Japan-US Joint Seminar on Quantum Electronics and Laser Spectroscopy)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] (C) Colloquium Topic: Quantum simulation of many-body systems using ultracold ytterbium atoms: from thermal equilibrium state to non-equilibrium dynamics2018

    • Author(s)
      Yousuke Takasu
    • Organizer
      Okinawa School in Physics 2018: Coherent Quantum Dynamics
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Cold Atom Quantum Simulator2018

    • Author(s)
      Yoshiro Takahashi
    • Organizer
      日本物理学会2018年秋季大会 領域横断(理事会)60 years of Physical Review Letters(Condensed Matter)American Physical Society
    • Invited
  • [Presentation] 時間依存変分原理を行列積状態の時間発展とその長時間ダイナミクス2018

    • Author(s)
      後藤慎平, 段下一平
    • Organizer
      日本物理学会2018年秋季大会
  • [Presentation] イッテルビウム原子の2軌道間スピン交換相互作用の測定2018

    • Author(s)
      小野滉貴, 小林淳, 天野良樹, 佐藤浩司, 尾田直人, 高橋義朗
    • Organizer
      日本物理学会2018年秋季大会
  • [Presentation] 2次元光超格子中においてSU(N)スピン系が示す短距離量子磁性2018

    • Author(s)
      西澤 直樹,田家 慎太郎,八神 智哉,佐久間 啓太,高須 洋介,久野 義人,高橋 義朗
    • Organizer
      日本物理学会2018年秋季大会
  • [Presentation] 強相関ボース気体における空間相関の伝搬に対するSU(3)Truncated-Wigner近似2018

    • Author(s)
      長尾一馬, 高須洋介, 高橋義朗, 段下一平
    • Organizer
      日本物理学会2018年秋季大会
  • [Presentation] ボース・ハバード系における量子相転移をまたぐ急峻なクエンチ後の空間相関の準古典的伝搬2018

    • Author(s)
      長尾一馬, 國見昌哉, 高須洋介, 高橋義朗, 段下一平
    • Organizer
      日本物理学会2018年秋季大会
  • [Presentation] 局所粒子数ロスが誘起する超流動流の安定性2018

    • Author(s)
      國見昌哉, 段下一平
    • Organizer
      日本物理学会2018年秋季大会
  • [Presentation] Advanced quantum simulator with novel spin and orbital degrees of freedom2018

    • Author(s)
      Yoshiro Takahashi
    • Organizer
      Japan-EU Joint Workshop on Advanced Quantum Technology for Future Innovation
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 冷却原子系における有限温度超流動体の超流動流の減衰2018

    • Author(s)
      國見昌哉, 段下一平
    • Organizer
      熱場の量子論とその応用
  • [Presentation] Quench Dynamics of the Bose-Hubbard Model: Digital Classical Simulation versus Analog Quantum Simulation2018

    • Author(s)
      Ippei Danshita
    • Organizer
      The 3rd Beijing-Tokyo Workshop on Ultracold Atomic Gases
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Can the truncated-Wigner approximation correctly describe thermal and quantum phase slips in one-dimensional Bose gases?2018

    • Author(s)
      Masaya Kunimi, Ippei Danshita
    • Organizer
      International Symposium on Quantum Fluids and Solids 2018
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Quantum Simulation with Ytterbium Fermi Gases2018

    • Author(s)
      Y. Takahashi, Y. Takasu, S. Taie, H. Ozawa, K. Ono, Y. Amano, K. Sato, and J.Kobayashi
    • Organizer
      The 26th International Conference on Atomic Physics(ICAP2018)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Dissipative Bose-Hubbard system with metastable 3P2 state of ytterbium atoms2018

    • Author(s)
      Takafumi Tomita, Shuta Nakajima, Yosuke Takasu, Yoshiro Takahashi
    • Organizer
      The 26th International Conference on Atomic Physics(ICAP2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Measurement of interorbital spin-exchange interaction of ytterbium atoms2018

    • Author(s)
      Koki Ono, Jun Kobayashi, Yoshiki Amano, Koji Sato, Naoto Oda and Yoshiro Takahashi
    • Organizer
      The 26th International Conference on Atomic Physics(ICAP2018)
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 京都大学理学研究科量子光学研究室

    • URL

      http://yagura.scphys.kyoto-u.ac.jp/

  • [Remarks] PhysRevA:Editors' Suggestion,Rapid Communication

    • URL

      https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.98.051602

  • [Remarks] PhysRevA誌掲載論文:Rapid Communication

    • URL

      https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.99.031601

URL: 

Published: 2019-12-27  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi