2020 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, 准教授 (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。
今年度の研究実績として、まず、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、について、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た結果、ユニークな局在と遍歴の混合次元2軌道系を実装することに成功し、これを用いて、スピン空間での量子輸送の振舞いを明らかにすることに成功した。次に、2)巨大スピンのSU(N)量子磁性の物理の解明、については、1次元から2次元、および2次元から3次元へと移り変わる非等方な格子系について、SU(6) フェルミ気体の反強磁性スピン相関を系統的に測定することに成功した。また、その結果を国際共同研究による最先端理論との比較により原子温度を決定することに成功した。これらの結果を論文[arXiv2010.07730]としてまとめた。さらに、開放量子多体系に特有な新奇量子磁性状態の生成とその定量的評価、を実施し、理論から期待される振舞いとほぼ一致することも確認した。
さらに、すべての課題に通じる実験技術の開発として、光格子の単一サイトを分解した状態で、単一原子を観測することに成功した。さらに、この単一原子からの発光量が、光格子深さ、光格子波長、プローブ光強度、プローブ光波長、にどのように依存するかを定量的に明らかにした。
また、理論グループでは、光格子中Yb原子気体の軌道自由度を活かした新奇な効果として、二軌道Bose気体において軌道間混成を変化させたときに超流動状態から別の超流動状態への転移が起こることを見出した。
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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
設定した研究目的のもと、理論の研究分担者と密接なる議論を行いながら、実験の研究分担者と協同で実験を進めた。その結果、当初の計画以上に成果を上げることに成功した。
具体的には、まず局在不純物の物理の解明として、電子基底状態のスピンのラムゼー信号を観測する技術を確立し、それが電子励起状態の局在不純物により変化する様子を系統的に測定した。その結果を、原研の内野氏および東工大西田氏の最新の理論と比較検討を行い、オームの法則に従った量子輸送のダイナミクスを確認するとともに、この系で初めて可能な3端子の輸送系を実現した。また、磁場、励起レーザー、スピン回転角、を制御することにより、量子輸送の大きさを精密に制御できることを実証した。また、巨大スピンのSU(N)量子磁性の物理の解明、については、i)1次元系について、スピン成分数2と６の場合を直接比較し、スピン数を増やすことにより、温度にして約10倍の冷却効果が得られることを確認した。また、ii)低い次元の系がより大きなスピン相関を示すことを実験的に明らかにし、エントロピーの空間的再配分で説明できることを明らかにした。さらに、iii)2次元以上の6成分の系は、すでに古典計算機では答えを提供できない領域で、本量子シミュレータのみが解答を提供できていることを確認した。2重井戸に導入された超低温のSU(6)フェルミ気体の系について、反強磁性相関の大きさが異なる3つの初期状態を準備し、2体散逸過程を導入することで、スピン相関が反強磁性的なものから強磁性的なものに変化することを明瞭に観測した。また、この過程において、スピン一重項の原子数のみが変化することを確認した。さらに、光格子の単一サイトを分解した状態で、単一原子を観測することに成功し、その振舞いが光格子深さ、光格子波長、プローブ光強度、プローブ光波長、にどのように依存するかを定量的に明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
理論の研究分担者と密接なる議論を行いながら、具体的に以下のように設定した研究項目について実験を進める。
まず、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、では、RKKY相互作用による局在スピン間のスピン相関の直接観測を試みる。また、大きな質量比を持つ原子混合系の研究において、エルビウム原子の量子縮退を実現し、特に、ボソン誘起の超流動現象などの実現に取り組む。次に、2)巨大スピンのSU(N)量子磁性の物理の解明、では、スピンインバランスを導入した場合に期待される新奇な量子磁性について、分担者の段下氏や、日大の山本氏との議論を通じて方針を確立し、その観測を試みる。さらに、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、では、イッテルビウム原子のリドベルク高軌道励起の分光を系統的に行いそのエネルギー構造を解明するとともに、他の量子複合系に適用する。また、４）SU(N)量子気体顕微鏡開発、では、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開発し、それを用いて、SU(N)系の長距離量子磁性の直接測定に応用する。
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