Kagome-lattice quantum gas microscope for study of quantum spin liquids

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H01854
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Institute of Physical and Chemical Research
• Principal Investigator: Fukuhara Takeshi 国立研究開発法人理化学研究所, 量子コンピュータ研究センター, ユニットリーダー (30742431)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 光格子 / 量子気体顕微鏡 / フラストレートスピン系 / ラマンサイドバンド冷却 / 機械学習 / フロケ制御

Outline of Final Research Achievements

In a triangular lattice, which is the basic structure of a Kagome lattice, we succeeded for the first time in the world in observing ultracold atoms at the single-site and single-atom level. By loading a quantum gas (a Bose-Einstein condensate) into the triangular optical lattice, we have successfully observed the quantum phase transition from a superfluid to a Mott insulator. In this measurement, we demonstrated that the momentum distribution is accessible by a quantum gas microscope by performing time-of-flight measurements in a trap. Furthermore, we implemented a Floquet control that inverts the sign of the tunneling between lattice sites by modulating the phase of the optical lattice. The negative tunneling works as an antiferromagnetic coupling, and therefore we can now study frustrated quantum spin systems.

Free Research Field

冷却原子

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

物質の性能を向上させたり、これまでにない機能を持った物質などを開発したりするには、固体物質という量子多体系を理解することが不可欠である。これに対して、制御性に優れた別の量子多体実験を用いて、固体物質を実験的に理解しようとする量子シミュレーションが注目を集めている。本研究は、冷却原子実験系を用いて、フラストレート磁性体の量子シミュレーションを行い、量子スピン液体などの新奇な状態の解明を目指すものである。フラストレート磁性体研究の舞台となるフラストレートした量子スピン系の準備が整い、量子シミュレーションの実現に向けて大きく前進した。