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2013 Fiscal Year Research-status Report

核スピン量子シミュレータの開発

Research Project

Project/Area Number 25800230
Research Category

Grant-in-Aid for Young Scientists (B)

Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

香川 晃徳  大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (70533701)

Project Period (FY) 2013-04-01 – 2015-03-31
Keywords量子シミュレーション / 磁気相転移 / 磁気共鳴 / 動的核偏極 / 核スピン / 電子スピン
Research Abstract

本研究では核スピンを用いた磁気相転移の量子シミュレーションの実現を目指している。量子シミュレーションは古典的なコンピュータでは困難な量子多体問題を解析することが可能である。我々の実験を行うにはまず核スピンの偏極率を高めてスピン温度を低くする必要がある。核スピン間の結合強度を考慮するとマイクロケルビンオーダーまでスピン温度を下げなければならないため、電子スピンの高偏極状態を核スピンに移す動的核偏極を行う必要がある。そこで本年度は高磁場、極低温下での核スピンの高偏極化を行うための実験装置の開発とサンプル作製を行った。サンプルは高偏極化により核スピンの磁気相転移が起こることが知られているフッ化カルシウム単結晶を作製した。フッ化カルシウムにはTmをドープし、アニール処理することで不対電子スピンをもつTm2+を生成した。実験系では主に導波管とWeisらによって提案されたENDOR(Electron Nuclear DOble Resonance)共振器の開発を行った。それぞれパラメータを変えて電磁界シミュレータによって性能を評価した後、試作を行った。その結果、希釈冷凍機内で用いることが可能な低損失の導波管と高効率の共振器の開発に成功した。作製したサンプルを用いて4.2Kの環境下で実験を行った結果、動的核偏極により19Fスピンの偏極を数%に高めることに成功した。また数値的手法により核スピン間のハミルトニアンを実効的に量子シミュレーションを行うためのハミルトニアンに変化させる照射パルスを作成した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

磁気相転移を起こすには核スピン間の結合エネルギーよりスピン温度を下げる必要がある。高磁場、極低温下でサンプルにマイクロ波を照射して電子スピンと核スピンの状態を交換すれば核スピン温度を十分に下げることができる。そこで本年度は希釈冷凍機内でも利用可能な、低電力でスピンを操作できるENDOR共振器や低損失のOversized導波管を作製した。開発したそれらの装置を用いた動的核偏極の実験によって核スピン偏極を数%に高偏極化させることに成功した。また核スピン間ハミルトニアンの操作のための変調パルスを数値計算により作成した。以上の成果から本研究は、当初の研究計画に従っておおむね順調に進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

本年度開発した実験装置を熱流入の観点から改良し、極低温下で動的核偏極を行う。実験条件を最適化することで核スピン偏極を磁気相転移に必要である数十%以上に増大させる。また本年度に作成した変調パルスを拡張した核スピン間の双極子結合を強度的に制御できるパルスの作成法ついて検討する。それらを用いて偏極率、結合強度などをパラメータとして磁気相転移の量子シミュレーションの実現を目指す。また平均場近似により計算を行った結果、室温下での光励起三重項電子スピンを用いた動的核偏極で得られる偏極率でも磁気相転移が起こる可能性を見出しており、その物質系でも量子シミュレーションの実現性を検討する。

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

実験装置の開発により液体ヘリウムを用いた低温下での実験の回数が少なかったため予定していた使用額より少額になった。
希釈冷凍機を用いて極低温下で実験を行うため、前年度で繰り越した助成金分を増額して液体ヘリウムを購入する。また同軸ケーブルやコネクタなどの高周波部品を購入する。研究成果の学会発表、情報収集のための旅費として使用する。

  • Research Products

    (19 results)

All 2014 2013 Other

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results) Presentation (14 results) (of which Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Room-temperature hyperpolarization of nuclear spins in bulk2014

    • Author(s)
      K. Tateishi, M. Negoro, S. Nishida, A. Kagawa, Y. Morita, M. Kitagawa
    • Journal Title

      Proc. Natl. Acad. Sci.

      Volume: - Pages: -

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Strongly driven electron spins using a Ku band stripline electron paramagnetic resonance resonator2013

    • Author(s)
      Y. S. Yap, H. Yamamoto, Y. Tabuchi, M. Negoro, A. Kagawa, M. Kitagawa
    • Journal Title

      J. Magn. Reson.

      Volume: 232 Pages: 62-67

    • DOI

      10.1016/j.jmr.2013.04.015

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Hyperpolarization of Thin Films with Dynamic Nuclear Polarization Using Photoexcited Triplet Electrons2013

    • Author(s)
      K. Tateishi, M. Negoro, A. Kagawa, T. Uesaka, M. Kitagawa
    • Journal Title

      J. Phys. Soc. Jpn.

      Volume: 82 Pages: 084005-1-5

    • DOI

      10.7566/JPSJ.82.084005

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Dynamic Nuclear Polarization with Photoexcited Triplet Electrons in a Glassy Matrix2013

    • Author(s)
      K. Tateishi, M. Negoro, A. Kagawa, M. Kitagawa
    • Journal Title

      Angewandte Chemie Int. Ed.

      Volume: 52 Pages: 13307-13310

    • DOI

      10.1002/ange.201305674

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 核スピン・電子スピン量子情報処理実験2013

    • Author(s)
      北川勝浩、香川晃徳、根来誠
    • Journal Title

      固体物理

      Volume: 48 Pages: 95-105

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 光励起三重項電子を用いたDNPによる 室温下での偏極率30%の達成

    • Author(s)
      立石健一郎, 根来誠, 西田辰介, 香川晃徳, 工位武治, 森田靖, 北川勝浩
    • Organizer
      第53回 固体NMR・材料フォーラム
    • Place of Presentation
      産業技術総合研究所 臨海新都心センター
  • [Presentation] 平均場近似によるp-ターフェニル結晶の 核磁気相転移の解析

    • Author(s)
      北野嵩博, 香川晃徳, 根来誠, 丸山勲, 北川勝浩
    • Organizer
      第28回量子情報技術研究会
    • Place of Presentation
      北海道大学
  • [Presentation] 光励起三重項電子を用いた動的核偏極によって高偏極化された核スピン系における量子情報処理実験

    • Author(s)
      橋崎俊, 立石健一郎, 根来誠, 西田辰介, 香川晃徳, 森田靖, 北川勝浩
    • Organizer
      第28回量子情報技術研究会
    • Place of Presentation
      北海道大学
  • [Presentation] ESR量子コンピュータ実現に向けた 装置開発

    • Author(s)
      橋本侑樹, ヤップユンセン, 田渕豊, 加藤辰典, 山本洋史, 根来誠, 香川晃徳, 北川勝浩
    • Organizer
      第28回量子情報技術研究会
    • Place of Presentation
      北海道大学
  • [Presentation] DNP with photoexcited triplet electrons in glassy matrix

    • Author(s)
      K. Tateishi, M. Negoro, A. Kagawa, M. Kitagawa
    • Organizer
      4th international DNP Symposium
    • Place of Presentation
      Copenhagen, Denmark
  • [Presentation] 室温下での30%を超える 固体陽子スピン偏極

    • Author(s)
      立石健一郎,根来誠,西田辰介, 香川晃徳,森田靖,北川勝浩
    • Organizer
      日本物理学会 2013年秋季大会
    • Place of Presentation
      高知大学
  • [Presentation] 極低温下(<1K)での 任意波形パルスESR実験

    • Author(s)
      根来誠, ヤップユンセン, 田渕豊 加藤辰典, 橋本侑樹, 香川晃徳, 北川勝浩
    • Organizer
      第52回電子スピンサイエンス学会年会
    • Place of Presentation
      大宮ソニックシティ
  • [Presentation] ESR量子コンピュータ実現に向けた 装置開発及びコンポジットパルスによるキュービットの正確な制御

    • Author(s)
      加藤辰典, ヤップユンセン, 橋本侑樹, 田渕豊, 根来誠, 香川晃徳, 北川勝浩
    • Organizer
      第52回電子スピンサイエンス学会年会
    • Place of Presentation
      大宮ソニックシティ
  • [Presentation] 光励起三重項電子スピンを用いた動的核偏極による室温下での1Hスピン 偏極率34%の達成

    • Author(s)
      立石健一郎, 根来誠, 西田辰介, 香川晃徳, 森田靖, 北川勝浩
    • Organizer
      第52回電子スピンサイエンス学会年会
    • Place of Presentation
      大宮ソニックシティ
  • [Presentation] 平均場近似を用いた 核磁気相転移の解析

    • Author(s)
      香川晃徳, 北野嵩博, 根来誠, 丸山勲, 北川勝浩
    • Organizer
      第52回NMR討論会
    • Place of Presentation
      石川県立音楽堂
  • [Presentation] 光励起三重項電子スピンを用いたDNPによる室温下での 偏極率34%の達成

    • Author(s)
      立石健一郎, 根来誠, 西田辰介, 香川晃徳, 森田靖, 北川勝浩
    • Organizer
      第52回NMR討論会
    • Place of Presentation
      石川県立音楽堂
  • [Presentation] Towards quantum simulation of magnetic phase transition using highly polarized nuclear spins

    • Author(s)
      A.Kagawa, T.Kitano, M.Negoro, I.Maruyama, M.Kitagawa
    • Organizer
      FIRST International Symposium on Topological Quantum Technology
    • Place of Presentation
      Tokyo, Japan
  • [Presentation] Arbitrary waveform pulse ESR down to very low temperature

    • Author(s)
      M. Kitagawa, Y. S. Yap, Y. Tabuchi, M. Negoro, A. Kagawa
    • Organizer
      The 5th International Workshop on Far-Infrared Technologies 2014
    • Place of Presentation
      Fukui, Japan
    • Invited
  • [Presentation] 高偏極化した核スピンを用いた磁気相転移の量子シミュレーションの実現に向けて

    • Author(s)
      香川晃徳
    • Organizer
      基礎物理学研究所 研究会 量子情報の新展開
    • Place of Presentation
      京都大学

URL: 

Published: 2015-05-28  

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