2013 Fiscal Year Annual Research Report
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25287104
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Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | NTT Basic Research Laboratories |
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Principal Investigator |
山下 眞 日本電信電話株式会社ＮＴＴ物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 主任研究員 (00393786)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
向井 哲哉 日本電信電話株式会社ＮＴＴ物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 主任研究員 (70393775)
稲葉 謙介 日本電信電話株式会社ＮＴＴ物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 研究主任 (10564990)
今井 弘光 日本電信電話株式会社ＮＴＴ物性科学基礎研究所, 量子光物性研究部, 研究員 (00649551)
菅 誠一郎 兵庫県立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40206389)
鈴木 隆史 兵庫県立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40444096)
土浦 宏紀 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30374961)
栂 裕太 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70641231)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 冷却原子気体 / 光格子 / 多成分 / 量子物性 |
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| Research Abstract |
本研究課題は超伝導アトムチップ上の擬1次元磁場ポテンシャルに光格子を導入し、高密度・強相関の極限的な領域で多成分冷却原子気体が示す新奇な量子物性を探究することを目的とする。以下では、今年度の研究成果を理論と実験に分けて報告する。
【理論】NTT理論グループは、低密度領域に限定されてはいるが、高占有数の1次元光格子中ボース凝縮体を定量的に解析する計算手法を開発し、その成果がPhysical Review A 誌に掲載された。現在、この理論の多成分系さらには高密度・強相関領域への拡張を試みている。一方、兵庫県立大学グループは、光格子中の斥力相互作用している三成分冷却フェルミ原子気体が示す超流動状態を詳細に解析し、そのペア対称性が成分間の相互作用強度に強く依存することを明らかにした。また、東北大学グループは、スピン－1の内部自由度をもった三成分ボース凝縮体が光格子中で示すダイナミクスを解析し、超流動の動的不安定性がスピン成分間の相互作用に依存することを明らかにした。兵庫県立大学、東北大学グループの研究成果は国内・国際会議で発表済みであり、現在、論文化を進めている。
【実験】NTT実験グループでは、超伝導アトムチップ上のボース凝縮体に対する三体ロスの影響を詳細に調べた成果がApplied Physics B誌に受理された。また、実験・理論グループ間で綿密な議論を行い、研究計画を一部変更し、平成26年度以降に研究する予定であった多成分化に有利なスピン状態の選択を今年度に実施した。その結果、平成26年1月に、これまでとは異なるF=1, mF=-1のスピン状態にあるボース凝縮体の作成に成功した。その後、マイクロ波とラジオ波の2光子遷移によるスピン制御にも成功し、最終的にF=1, mF=-1状態とF=2, mF=1状態の2成分ボース凝縮体を超伝導アトムチップ上で実現した。
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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
理論に関しては、先ず、低密度領域に限られてはいるが、格子点での占有原子数が1000程度という非常に高い場合の、1次元光格子中ボース凝縮体の基底状態を解析する計算手法の開発に成功した。さらに、三成分フェルミ原子気体が示す新奇な超流動状態や、スピン－1の内部自由度をもった三成分ボース原子気体が示す特殊な動的不安定性など、多成分冷却原子気体が示す多様な量子物性の理論解明にも成功した。
一方、実験に関しては、研究計画を一部変更したことが功を奏し、次年度以降の研究計画に含まれていた多成分化に有利なスピン状態の選択、さらに、そのスピン制御にも相次いで成功し、超伝導アトムチップ上の擬1次元的な磁場ポテンシャル中で2成分冷却原子気体を実現できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成25年度の研究成果を踏まえて、以下に今後の研究推進方策を理論と実験に分けて、まとめる。
【理論】１次元光格子中の高密度・強相関 多成分ボース原子気体の量子物性の探究（NTT理論、兵庫県立大学、東北大学）
それぞれの理論グループが平成25年度に取り組んできた理論を応用・発展さらには融合させることで、実験系を定量的に解析できる計算手法を開発し、実験に先駆けた理論解析を目指す。具体的には、NTT理論グループの格子点の占有数が非常に高い場合でも取り扱うことのできる1次元光格子の理論を高密度・多軌道領域でも計算できるように改良する。さらに、兵庫県立大学グループの多成分原子気体の超流動状態に対する強力な理論やこれまでに得られた詳細な知見を融合させ、1次元光格子理論の多成分化を目指す。一方、東北大学グループの動的性質に関する解析法は、実際の実験では必ず存在する非断熱効果を取り扱えるように、理論をさらに発展させる。
【実験】2成分ボース原子気体の基礎物性の測定および1次元光格子の導入（NTT実験）
研究計画を一部変更し、平成25年度に超伝導アトムチップ上での2成分ボース原子気体の作成を進め、これに成功した。今後は、先ず、チップ上の擬1次元的磁場ポテンシャル中に閉じ込められた2成分ボース原子気体の基礎物性（成分間の相互作用や成分毎のトラップ寿命など）を測定する。これらの測定結果は理論グループと共有し、実験結果の解析に役立てる。さらに、2成分を同時に観測できる測定系を立ち上げ、相互作用によって生じる空間的な相分離の観測を目指す。これと並行して、光格子用のレーザーを立ち上げ、超高真空装置中の超伝導アトムチップに1次元光格子を導入する。
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