2016 Fiscal Year Annual Research Report
Exploration of topological orders in strongly correlated ultracold atomic systems and development of their fundamental theory
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25800225
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
古川 俊輔 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (50647716)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 物性理論 / 冷却原子 / 人工ゲージ場 / 量子ホール効果 / スピントロニクス / トポロジカル秩序 / トポロジカル絶縁体 / 光格子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は、人工ゲージ場中の冷却原子気体における新しいトポロジカル秩序状態の理論的探索とその諸性質の解明を目的としている。2016年度の主な成果は以下の3点である。
[1]人工磁場中の二成分ボース気体について、占有率、成分間・内相互作用比の空間での詳細な相図を完成させた。その結果として、成分間相互作用が引力のとき、二つの量子ホール状態の直積状態が非常に安定に現れることを見出した。これは、成分間相互作用が斥力のときに多様なスピン・シングレット量子ホール状態が現れること（2013年度の研究）と対照的である。成分間相互作用の符号に対するこのような顕著な依存性と、反平行磁場中の二成分気体（2014年度の研究）との違いについて、擬ポテンシャルの観点から定性的な解釈を与えた。また、関連研究として、この系に現れるボソン版整数量子ホール状態が示す特異な応答について、擬一次元極限のポンピング現象から新たな視点を与えた。
[2]2015年度に引き続き、人工次元・人工ゲージ場中の冷却原子系における相互作用効果の研究を行った。2015年度の間に、ラマン遷移の強い極限での有効模型を導き、その極限で無数の結晶状態が現れる「悪魔の階段」現象が現れることを確立していた。2016年度はラマン遷移を弱めた際の現象の安定性を解析し、実験でどのような結晶状態が現れるかを決定した。
[3]近年、蜂の巣光格子に冷却原子を注入することで人工グラフェンを実現できるようになった。この光格子を空間変調させることで、強い人工ゲージ場を発生できることが理論的に提案されている。このような設定のもとで現れる分数量子ホール状態を数値的対角化により解析し、バレー偏極したラフリン状態や複合フェルミオン状態が現れることを示した。さらに、これらの状態のギャップを計算し、サブ波長格子において観測可能なギャップのスケールを獲得することを示した。
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