2019 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
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18H05228
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
高橋 義朗 京都大学, 理学研究科, 教授 (40226907)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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する。原子系として、SU(N=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、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。
上記の研究に向けて、今年度の研究実績として、まず、１）反強磁性スピン交換相互作用を持つ171Yb原子を使った量子輸送の観測を進めた。準安定状態の原子のみを局在させることに成功し、基底状態の遍歴する原子のスピン交換過程の振る舞いを直接観測することに成功した。また、スピン自由度に着目した不純物原子による量子スピン輸送の実測に成功しに成功した、ことが挙げられる。さらに、２）ポメランチュク冷却を、SU(6)の等方的な様々な光格子配置へ拡張し、そのスピン相関に対する実験結果を得ることに成功し、それを米国のグループによる量子モンテカルロなどの理論計算と定量的に比較することに成功した。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ことに成功するとともに、その非平衡ダイナミクスを実験的に明らかにした。そして、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、複数の共鳴を観測することに成功した。また「非エルミート格子軌道への拡張」について、昨年準備した、Yb原子の光学遷移の特徴を駆使したPT対称な強相関系を実現し、学術論文としてまとめた。
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| 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,理論共同研究者の段下氏と議論を重ね協力しながら、研究を進め、それぞれにおいて、当初の計画以上に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。
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た。まず、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ることに成功した。そこで、基底状態の遍歴する原子のスピン状態の変化を高精度な観測技術を開発し、スピン交換過程の振る舞いを直接観測することに成功した。また、173Yb原子を用いて、スピン自由度に着目した不純物原子による量子スピン輸送の実測に成功し、内野氏・西田氏他と議論を重ねながら研究を進めた。
２)SU(4)系の量子磁性で実証した高いスピン自由度を利用したポメランチュク冷却を、SU(6)の等方的な様々な光格子配置へ拡張し、そのスピン相関に対する実験結果を得ることに成功し、それを米国のグループによる量子モンテカルロなどの理論計算と定量的に比較することに成功した。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ことに成功するとともに、その非平衡ダイナミクスを実験的に明らかにした。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、測定し、比較を行った。
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、複数の共鳴を観測することに成功した。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対称な強相関系を実することに成功し、学術論文としてまとめた。
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| Strategy for Future Research Activity |
1) 局在・非局在混合軌道系による局在不純物の物理の解明。すでに実験的な観測に成功した局在不純物スピンによる量子スピン輸送の研究を集中的に進める。特に、系統的な実験結果を早稲田大学の内野瞬助教の最新の理論と比較検討する。RKKY相互作用などにより局在スピン間のスピン相関を直接観測するために、相互に位相安定化された1300nmおよび650nmのレーザー光システムを用いてその観測を試みる。また、大きな質量比を持つ原子混合系の研究において、Er原子のボース凝縮を実現する。その後、速やかに世界初のYb,Er,Liの3種類の混合量子気体を実現し、特に、ボソン誘起の超流動現象などの実現に取り組む。
2)巨大スピンのSU(N)量子磁性の物理の解明。SU(N)スピン系１次元等方光格子における最低温度をポメランチュク冷却効果により実現した結果について論文としてまとめる。また、昨年度実現したSU(4)一重項状態について論文としてまとめる。
3)ユニークな軌道自由度を駆使した新しい可能性の追求。これまでに見出したYb原子リドベルク高軌道励起の分光技術を混合次元のYbLi量子気体に適用する。
４）SU(N)量子気体顕微鏡開発の完成。固浸レンズを用いた装置による基底状態の核スピンに敏感な単一原子検出システムをSU(N)系の長距離量子磁性の直接測定に応用する。
５）理論グループでは特に、昨年度に開発した有限温度の一次元量子多体系の平衡状態および非平衡ダイナミクスを計算するためのアルゴリズムを用いて、近藤型の模型の有限温度相図および輸送特性を解析し、実験グループによる近藤効果観測をサポートする。また、N>2のSU(N) Hubbardシミュレータで実現しうる量子相を予言するために、模型の基底状態相図を得るための変分モンテカルロ法の数値計算コードを作成する。
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[Presentation] 7Li-Yb mixture in mixed dimensions2019
Author(s)
F. Schaefer, N. Mizukami, S. Koibuchi, P. Yu, A. Bouscal, and Y. Takahashi
Organizer
Workshop on Quantum Mixtures and celebration of the 70th anniversary of Sandro Stringari
Int'l Joint Research / Invited
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