2015 Fiscal Year Annual Research Report
光格子中イッテルビウム量子気体の究極的操作・観測が拓く新奇量子凝縮相研究の新展開
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25220711
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
高橋 義朗 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (40226907)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高須 洋介 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (50456844)
藤本 聡 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (10263063)
段下 一平 京都大学, 基礎物理学研究所, 助教 (90586950)
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| Project Period (FY) |
2013-05-31 – 2018-03-31
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| Keywords | 量子エレクトロニクス / 冷却原子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者のグループがこれまで推進してきた2電子系原子の量子気体研究の成果を踏まえて、光格子中の超低温原子気体を用いた量子凝縮相に関する独創的な物性研究を格段に発展させることを目的としている。今年度、理論グループと実験グループが協力して各項目の研究テーマを推進することができた。以下、各テーマごとに研究実績の概要を記述する。
まず、「トポロジカル量子物理」については、トポロジカル超流動の実現に向けて、電子基底状態と電子励起状態からなるフェッシュバッハ分子の直接光生成、および磁場掃引による高効率生成に成功した。さらにスピン軌道相互作用の実装を確認した。また、サウレスのトポロジカルポンピングを世界で初めて実証した。「量子磁性」の新しい手法の開拓として、Yb原子の大きな磁気双極子相互作用に基づく量子アニーリング法に着目し、量子揺らぎの導入などに成功した。「非標準型格子の特異なバンド構造」については、リープ型光格子を実現し、平坦バンド中の冷却原子について、局在性、相互作用のある系のバンド構造、平坦バンド中の原子の安定性、など、基本的振る舞いを明らかにした。また、「新奇超流動現象」の発現が期待される平坦バンド上の状態に原子を準備することに成功した。また、YbLiを用いて、「不純物量子シミュレーター」の系を準備することに成功した。「さらにYb原子の「量子気体顕微鏡」を開発することに成功し、光格子中の孤立原子を格子点を分解して観測することに成功した。また、より非破壊的な測定である分散を利用したファラアー量子気体顕微鏡を開発することに世界で初めて成功した。さらに、量子測定理論を適用した最新の理論研究に基づいて解析を行い、原子数分布に関する実時間ダイナミクスを明らかにすることに成功した。これらは、上記の本研究テーマに役立つだけでなく、他の系にも広く波及することが期待される。
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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
実験グループ（高橋、高須）の研究の進捗状況として、まず、「トポロジカル量子物理」については、磁場フェッシュバッハ共鳴の発見、電子基底状態と電子励起状態からなるフェッシュバッハ分子の直接光生成、および磁場掃引による高効率生成に成功した。一方、スピン・運動量ロッキング現象を観測することで、スピン軌道相互作用の実装を確認した。さらに、トポロジカルチャージポンピングを世界で初めて実証した。「非標準型格子の特異なバンド構造」について、リープ型光格子を実現し、実際、平坦バンド中のボース凝縮体および低温フェルミ原子について、局在性、相互作用のある系のバンド構造、平坦バンド中の原子の安定性、などを明らかにした。またレーザー分光による相転移観測法を確立した。さらに、Yb原子のみ3次元光格子に局在し、Li原子が非局在する「不純物量子シミュレーター」の系を準備することに成功した。また、Yb原子の「量子気体顕微鏡」を開発することに成功し、光格子中の孤立原子を格子点を分解して観測することに成功した。
藤本による研究の進捗状況として、冷却原子系におけるトポロジカル現象の一つとして動的Axion現象の理論研究を行った。また、トポロジカル超流動に特徴的なBerry位相の揺らぎに伴う新規ホール効果の研究も行った。また、１次元モット絶縁体がトポロジカルなスピン液体に転移する機構を明らかにした。
段下による研究の進捗状況として、まず、超伝導流が量子揺らぎによるトンネル効果によって減衰する過程である量子位相滑りの量子シミュレーションを提案した。また、三角格子上スピン-1/2 XXZ模型の量子相図を決定した。さらに、光格子中二成分ボース気体における不連続超流動・絶縁体転移、三重臨界性、表面臨界性を明らかにした。また、光格子中ボース気体について、障壁の周りに局在するHiggsモードの束縛状態が出現することを見出した。
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| Strategy for Future Research Activity |
以下、各テーマごとに今後の推進方策を記述する。まず、「トポロジカル量子物理」では、p-波トポロジカル超流動の実現をめざし、励起時の加熱とロスの効果を抑えて低温を実現することをねらう。観測方法や基本的振る舞いについては、理論分担者（藤本）と議論を重ねて検討する。さらに、トポロジカルチャージポンピングについても研究を進め、Yb原子の内部自由度を用いた、スピンポンプの実現を図る。「量子磁性」については、光格子中での蒸発冷却を行うことでフェルミ同位体173Ybの光格子中での超冷却を図る。また、量子アニーリング法による磁気秩序の生成を目指す。「新奇超流動現象」についても超低温を実現することで、その観測を試みる。また、リープ格子パラメーターを最適化することにより、超固体の実現とその観測を目指す。その際、理論分担者（段下）と特に密に議論を重ねる。さらに、光格子中ボース気体およびフェルミ気体における格子深さのクエンチ後のダイナミクスに関して実験を行い、理論分担者（段下）がその理論的解釈をサポートする。また、強い散逸がある場合の超流動の振舞いも実験と理論で明らかにする。「非標準型格子の特異なバンド構造」については、上記項目と同様な方法で、冷却の問題の解決を図る。それと同時に、超低温までの冷却を必要としない新たな高温超流動の可能性として提案されている２層正方光格子の実装を進める。その際、国内の上記理論提案者と特に密に議論を重ねる。「不純物問題の量子シミュレーター」については、「量子ドット様量子輸送現象」などの新しい可能性も、国内理論研究者とともに追求する。「量子気体顕微鏡」については、超流動・モット絶縁体転移などを観測する。
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[Presentation] ファラデー量子気体顕微鏡による単一原子イメージング2016
Author(s)
小林淳,山本隆太,加藤宏平,久野拓馬,櫻勇人,高橋義朗
Organizer
ImPACT山本プログラム量子情報技術ワークショップ The Quantum Information Technologies Workshop (The Annual Meeting 2016)
Place of Presentation
科学技術振興機構 東京本部別館(東京)
Year and Date
2016-03-29
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