2019 Fiscal Year Annual Research Report
カゴメ格子量子気体顕微鏡による量子スピン液体の研究
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19H01854
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
福原 武 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, ユニットリーダー (30742431)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 光格子 / 量子気体顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
カゴメ格子型の光格子において動作する量子気体顕微鏡を開発することが本研究の肝となる。これに対し主に、三角格子型光格子での量子気体顕微鏡の開発、カゴメ格子作成用光源の準備、光格子ビームの位相安定化に取り組んだ。
量子気体顕微鏡では、各格子点の原子からの蛍光を集めることで原子分布を測定する。当該年度では、カゴメ格子の基本的な構造となる三角格子に対して、光格子中の単一原子からの蛍光観測を行った。蛍光観測では光散乱により原子が加熱され、元の格子点から動いてしまう。これを抑えるために、ラマンサイドバンド冷却を用いた。この冷却には複数のレーザー光のパワーや周波数を調整する必要があり、ベイズ最適化法を用いることでこれらの自動最適化を行った。その結果、単一原子を識別するのに十分な蛍光信号を得ることに成功している。
カゴメ格子を構築するためには、三角格子を形成し、更にその2倍の波長のレーザー光を重ねて入れることで三角格子の2倍の周期で原子が入れない格子点を作ればよい。本研究では、波長が532nmと1064nmの二つのレーザーを用いる。所望の光格子を形成するには高出力かつ狭線幅であることが求められ、この条件を満たす532nmのレーザーを選定した。選定した光源は1064nmのレーザー光の第二高調波として作り出されており、基本波の1064nmも使用することができる。これにより、2つの波長の光源の周波数を合わせる作業が要らなくなり、システムの簡素化が可能になった。
光格子ビームのポインテイング・空間プロファイルの安定化のため光ファイバーを用いるが、ファイバーを経由する際に位相ノイズが加わってしまう。光ファイバー後の光を一部打ち返し、ファイバー入射前の光と比較することで位相ノイズの情報を得て、それを音響光学素子にフィードバックするシステムを構築した。これにより位相ドリフトを抑えることができた。
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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
計画していた、三角格子型光格子での量子気体顕微鏡の開発、カゴメ格子作成用光源の準備、光格子ビームの位相安定化の関して大まかには目標を達成できている。
その中でも、ラマンサイドバンド冷却の実験パラメータの最適化に機械学習（ベイズ最適化法）が有効であるとわかったことは予想外の収穫である。今後、三角格子からカゴメ格子へ、また現在使用しているルビジウム-87原子からルビジウム-85原子へ、と実験装置の変更を加える必要があり、その際にも作業の効率化が見込める。
一方で、空間光分解能な顕微鏡対物レンズを組み込んだ影響で、現状では温度の十分低い原子を用意できていない。これについては、冷却手法の変更などが必要となると考えている。
また、ファイバー後のビームの位相安定化に関して、実際の実験で使用するためには回路の改良が必要となる。
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| Strategy for Future Research Activity |
空間光分解能な顕微鏡対物レンズを組み込んだ影響で、現状では温度の十分低い原子を用意できていない、という課題を克服する必要がある。その対処として、顕微鏡の対物レンズの側からビーム系を絞ったトラップ光を入れることで、原子密度を増加させ、蒸発冷却の効率をあげることを計画している。
新型コロナウイルスによる自宅勤務の影響で装置の開発や実験を行うことできない状況が続くことが予想されるため、その間に機械学習によるパラメータ最適化についての改良を試みる。自動的かつ効率的にパラメータ最適化を行うことで、装置の開発・実験ができない期間の遅れを取り戻していけるのではと考えている。
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