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2021 Fiscal Year Annual Research Report

Topological quantum phenomena in atomic Bose-Einstein condensates

Research Project

Project/Area Number 19H01824
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

川口 由紀  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (00456261)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 小林 伸吾  国立研究開発法人理化学研究所, 創発物性科学研究センター, 研究員 (40779675)
藤本 和也  名古屋大学, 工学研究科, 特任助教 (40838059)
Project Period (FY) 2019-04-01 – 2023-03-31
Keywordsフロケ理論 / 磁気スキルミオン / 非エルミート / 冷却原子気体
Outline of Annual Research Achievements

以下の2点の研究を行った。
①原子気体の内部状態の制御として、振動外場下における内部ジョセフソン振動について調べた。これは超伝導におけるシャピロ共鳴に対応するものであるが、実空間での粒子の流れではなく、原子の内部自由度間での流れでジョセフソン振動を起こすというものである。空間自由度も含めたスピン1のボースアインシュタイン凝縮体に対して、振動外場下での応答をフロケ定理を用いて解析した結果、共鳴条件や共鳴幅、フロケ指数を解析的に求めることができた。共鳴が生じるの背景には、ボース粒子系の励起スペクトルが非エルミート方程式で記述されるという事実が重要であることがわかった。得られた共鳴条件に対して、数値計算により長時間ダイナミクスを調べ、スピン波成長における非線形効果についても明らかにした。
②実空間トポロジカル構造であるスキルミオンに働く相互作用について調べた。これまで単純な2次元カイラル磁性体では、スキルミオン間相互作用は短距離的な斥力のみであることが知られていた。それに対し本研究では、面内磁場や結晶磁気異方性によりスキルミオンがひずむことで、スキルミオンに引力が働くことを見出した。とくに、結晶磁気異方性が強い場合には、2つのスキルミオン間に安定なドメインを作ることにより、スキルミオンが強く束縛され、束縛エネルギーが交換相互作用と同程度となることが分かった。このような系に面内磁場を加えると引力を弱めることができ、外的な制御が可能となる。また、スキルミオン間引力に由来するスキルミオン格子が生じることもわかった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

研究期間を延長して研究を行ったが、予定していた成果は着実に出ている。

Strategy for Future Research Activity

フロケ理論を用いた多体量子状態の制御、およびトポロジカル相の実装提案については、次年度の成果として論文投稿中である。今後は、振動外場による動的不安定性の発現機構を明確にし、複数の励起スペクトルを持つスピノールBECで、異なるモード間の結合による不安定性の解析を行う。これにより、過去の実験で未解明の結果が説明できる可能性がある。また、スキルミオンの輸送現象については数値計算の結果非自明な結果が得られたためその起源の解析を検討中である。具体的には、スキルミオンの運動はスキルミオンの内部構造を無視するとThiele方程式により記述できるが、背景磁化が傾いている時にはその結果からずれることが分かった。離散スピン系であることや、内部構造がどのようにスキルミオンの運動に寄与しているかについて解明する。

  • Research Products

    (12 results)

All 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 2 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 2 results)

  • [Int'l Joint Research] 中央研究院(その他の国・地域 台湾)

    • Country Name
      その他の国・地域
    • Counterpart Institution
      中央研究院
  • [Journal Article] Observation of domain wall bimerons in chiral magnets2021

    • Author(s)
      Nagase Tomoki、So Yeong-Gi、Yasui Hayata、Ishida Takafumi、Yoshida Hiroyuki K.、Tanaka Yukio、Saitoh Koh、Ikarashi Nobuyuki、Kawaguchi Yuki、Kuwahara Makoto、Nagao Masahiro
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 12 Pages: 3490

    • DOI

      10.1038/s41467-021-23845-y

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Dynamical Scaling of Surface Roughness and Entanglement Entropy in Disordered Fermion Models2021

    • Author(s)
      Fujimoto Kazuya、Hamazaki Ryusuke、Kawaguchi Yuki
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 127 Pages: 090601

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.127.090601

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Spin-wave growth via Shapiro resonances in a spinor Bose-Einstein condensate2021

    • Author(s)
      Imaeda Yuya、Fujimoto Kazuya、Kawaguchi Yuki
    • Journal Title

      Physical Review Research

      Volume: 3 Pages: 043090

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.3.043090

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Controllable interskyrmion attractive interactions and resulting skyrmion-lattice structures in two-dimensional chiral magnets with in-plane anisotropy2021

    • Author(s)
      Kameda Mai、Koyama Rio、Nakajima Takuro、Kawaguchi Yuki
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 104 Pages: 174446

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.104.174446

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 開放量子系における界面粗さ成長2022

    • Author(s)
      藤本和也、濱崎立資、川口由紀
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
  • [Presentation] Spin-wave growth via Shapiro resonances in a spinor Bose-Einstein condensate2022

    • Author(s)
      Yuki Kawaguchi
    • Organizer
      Ultracold Atoms Japan 2022
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Superfulids under External Driving2022

    • Author(s)
      Yuki Kawaguchi
    • Organizer
      29th International Conference on Low Temperature Physics
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Inhomogeneous Shapiro resonance in a spinor Bose-Einstein condensate2021

    • Author(s)
      Yuya Imaeda, Kazuya Fujimoto, and Yuki Kawaguchi
    • Organizer
      Laser Physics 21
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 異方的2次元カイラル磁性体における歪んだ磁気スキルミオン間の引力相互作用2021

    • Author(s)
      亀田麻衣、川口由紀
    • Organizer
      日本物理学会 2021年秋季大会
  • [Presentation] Attractive inter-skyrmion couplings induced by distorted skyrmions2021

    • Author(s)
      亀田麻衣、川口由紀
    • Organizer
      The 5th Symposium for The Core Research Clusters for Materials Science and Spintronics
  • [Presentation] Attractive inter-skyrmion couplings induced by distorted skyrmions2021

    • Author(s)
      亀田麻衣、川口由紀
    • Organizer
      EP2DS-24/MSS-20

URL: 

Published: 2023-12-25  

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