2013 Fiscal Year Research-status Report
人工ゲージ場を用いてｐ波超流動をフェルミ原子気体で実現させるための理論研究
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25400418
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Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
大橋 洋士 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (60272134)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | フェルミ原子気体 / スピン軌道相互作用 / 人工ゲージ場 / ｐ波超流動 / BCS-BECクロスオーバー |
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| Research Abstract |
本年度は、人工ゲージ場により作り出された反対称スピン軌道相互作用を有するｓ波フェルミ原子ガス超流動をBCS-Leggettの強結合理論を用いて研究、空間反転対称性の破れに伴って誘起されるｐ波対振幅の強度を絶対零度のBCS-BECクロスオーバー領域で明らかにした。また、実験で実現しているスピン軌道相互作用強度においては、ユニタリー領域でｐ波対振幅が最大となることを数値的に示した。これは、弱結合BCS領域ではｓ波秩序パラメータが小さいため、誘起されるｐ波対振幅成分も小さく、他方、強結合BEC領域ではフェルミ原子が強く結合したｓ波分子ボソンを形成するため、p波対振幅はやはり小さくなり、結果として両者の中間結合領域（ユニタ領域）でｐ波成分が最大になることに因るものである。更に、現時点の実験で実現可能な一番強いスピン軌道相互作用では、系自体はｓ波超流動であっても最大１５％程度のｐ波対振幅成分が存在することを明らかにした。これは、この状況で相互作用をｓ波からｐ波に変換すると、変換直後は１５％のcondensate fractionを有するｐ波超流動が実現することを意味しており、フェルミ原子気体でｐ波超流動を実現させる方法として、人工ゲージ場を利用するアイデアが有効であることを示している。
上記の研究に加え、スピン軌道相互作用により元々のｓ波超流動が抑制されてしまわないかを検証するため、空間反転対称性が破れた系での超流動転移温度を、超流動揺らぎをガウス揺らぎの範囲で考慮した強結合理論の枠組みで評価した。その結果、一番対称性が高い対称型スピン軌道相互作用の場合、空間反転対称性の破れはｓ波超流動転移に対し致命的なダメージを与えることはなく、弱結合BCS側ではむしろ超流動転移温度をエンハンスすることを明らかにした。
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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
実験的に実現しているスピン軌道相互作用含め、一般的な反対称スピン軌道相互作用に対し、ｓ波超流動状態で誘起されるｐ波の対振幅の大きさを求めることができ、それによりｐ波対振幅が最大となる条件をBCS-BECクロスオーバー領域で特定できたことは重要な成果である。また、実験で既に実現しているスピン軌道相互作用強度では、もしｓ波超流動状態になるまで冷却することができれば約１５％のフェルミ原子がｐ波対を形成することを明らかにした。本研究の目的は、このｐ波対振幅にｐ波相互作用を「貼り付ける」ことでｐ波のフェルミ原子ガス超流動を実現させる、というアイデアの実現可能性を理論的に探るものであるが、本年度の成果はｐ波相互作用を印可する前段階で十分なｐ波対振幅が用意できることを示している。これは、スピン軌道相互作用を利用してｐ波超流動の実現を目指す、というアイデアをサポートする結果である。
更に、ｐ波対振幅を生成するのに必須のｓ波超流動がスピン軌道相互作用により抑制されてしまわないか、についても強結合理論により検証、弱結合BCS領域では超流動転移温度がスピン軌道相互作用によりエンハンスされることを明らかにした。この結果も本研究が目指すｐ波超流動の実現にとって非常に好ましい結果である。
以上より、研究はおおむね順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の研究では、ｐ波対振幅の評価は一般的なスピン軌道相互作用を扱ったが、超流動転移温度の計算は一番対称性が高い「等方的スピン軌道相互作用」の場合のみを考えた。今後は、実験的に実現している１軸型スピン軌道相互作用の場合や、理論的に提案されている２軸型の場合についても計算を行い、ｓ波超流動に与える影響を明らかにすることを目指す。そして、この結果と今年度得られた絶対零度でのｐ波対振幅の相互作用、スピン軌道相互作用強度依存性から、p波相互作用を印可してｐ波超流動を実現させるために最適な実験条件を特定、実験側に提案する。
また、今年度は空間的に一様な系を扱ったが、現実のフェルミ原子気体は調和振動子型トラップポテンシャルに閉じ込められているため、非一様である。今後はこの効果を局所密度近似で取り入れ、一様系の結果がどの程度トラップの影響を受けるか明らかにする。
ｓ波超流動状態でありながらｐ波の対振幅も大量に存在する場合、それは系の物性にも影響を及ぼすと期待される。冷却フェルミ原子気体で近年観測可能となった様々な物理量を強結合理論で評価、ｐ波対振幅の存在を実験的に検証するのに最適な物理量、条件を明らかにする。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
当初アメリカ物理学会（2014年3月）への参加を予定していたが、大学業務（会議）と重なったため参加を取りやめた。このため、この学会への参加旅費として予定していた額が未執行として残った。
「次年度使用額」として残った分は、5月に開催予定の韓国での国際ワークショップへの参加旅費、および、その後の研究発表旅費として使用する計画である。
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