2016 Fiscal Year Annual Research Report
多成分冷却原子気体の多体効果とフラストレート磁性超流動体の研究
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26287088
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
上田 正仁 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (70271070)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 冷却原子気体 / 自発的対称性の破れ / ボーズ・アインシュタインの凝縮 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成２８年度は本基盤研究の提案の柱の一つであるフラストレート磁性の coarsening dynamics の研究を行った。具体的な系は、三角格子とカゴメ格子という異なった幾何学的形状を持った光格子に強磁性相互作用をする微小なボース・アインシュタイン凝縮体を配置した系をフェルミ気体の中に配置した。この時、ボース・アインシュタイン凝縮体がフェルミオンを介して反強磁性的相互作用を行う。このため、光格子が３角形やカゴメ格子の場合は磁気的フラストレーションが生じる。このフラストレーションが coarsening dynamics にどのような影響を与えるかが研究の主目的である。この問題を数値シミュレーションで研究を行い、幾何学的フラストレーションのために coarsening が実際に抑圧される様子を確かめた。具体的には、三角格子とカゴメ格子のそれぞれの場合に対して、スピンの相関関数とカイラリティの相関関数の時間依存性を調べ、幾何学的フラストレーションのためにこれらの量がゼロでない一定値に漸近することを見出した。これは、系が準安定状態へ近づくことを示している。これは幾何学的フラストレーションによって準安定性が保証されていると言える。更に、スピン相関長がスケーリング則に従うことを明らかにした。そして、その状態はランダムな外部雑音に対して安定であることが明らかになった。更に、その過程でトポロジカルなZ２渦が発生することを見出した。興味深いことに、スケーリング則の指数は、スピン相関関数とスピンカイラリティで同じ値になり、さらに、Z２渦の指数はそれらの2倍の値になることが数値的に見出された。
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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
上記のように幾何学的フラストレーションのcoarsening dynamics への効果の研究を行った。進捗は順調に進み、フラストレーションの結果として準安定性、トポロジカル渦の生成、スケーリング則のような新しい結果が得られ、論文として出版した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、研究目的に記載された最後の項目である光格子を用いた量子ホール効果に関する研究を行う。具体的には、光格子に閉じ込められた原子集団に外部から別のレーザーを照射することでエネルギー散逸を起こすことで最低ブロッホバンドに強制的に閉じ込めるような状況を考える。そのような制約されたヒルベルト空間はベリー曲率を有するが、それに伴って光格子中の原子の波束の運動にホール効果のような外力とは垂直方向の運動（ホール効果）が期待できる。この系は簡単な考察によってチャーン数がゼロにすることができるものと期待できる。このことは、空間のある場所でベリー曲率が正であれば、別な場所では負にならなければならないことが結論できる。この効果に着目すると、波束が系の端に到達したときに負のベリー曲率に起因する通常とは異なった量子反射が生じるものと期待できる。この効果を明らかにすることも目指す。この効果はルビジウム87の超微細構造を利用することで実現できるので実験的実現の可能性についても検討する。一方で、原子の多成分性に着目すると、別なタイプのホール効果（スピンホール効果）も期待できる。ディスプロシウムやエルビウムなどの原子は非常に大きな磁気モーメントを持っており、加えて、これらが重い原子であることから原子間に働く磁気的双極子相互作用が通常の原子間のハートリー相互作用と同程度に強くなることが期待できる。そのような系に外力を加えると、スピン流が外力とは垂直方向に生じることが期待できる。本研究では、そのような冷却原子の内部自由度に基づいたスピンホール効果を明らかにする。
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