巨大な質量比を持つ冷却異種原子気体を用いた強相関量子多体シミュレータ

• Project/Area Number: 12J01698
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: 原子・分子・量子エレクトロニクス
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 中島 秀太 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,630,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2014: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2013: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2012: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: レーザー冷却 / 冷却原子系 / 光格子 / 量子シミュレータ / 強相関系 / 精密分光 / メゾスコピック系

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、量子縮退が実現されている原子種の中で最も軽いアルカリ原子であるリチウム(Li)と、最も重い原子であるイッテルビウム(Yb)を、個別にあるいは同時に多様な光トラップに導入し、より広範な強相関系の「量子シミュレーション」を実現することである。
本年度はまず、前年度に構築した1次元光超格子系の2波長光格子の相対位相と振幅を動的に制御することで、"電荷ポンプ"と呼ばれる(量子化された)原子の移動現象(ポンピング)を研究した。実験には相互作用が無視できる2成分フェルミオン171Yb原子を用い、ポンピングによる光格子中での原子の移動をCCDカメラ上の吸収像から直接観測した。この"量子化"は、量子ホール効果と同様に「チャーン数」と呼ばれるトポロジカル不変量と直接関係しており、移動量の測定からこのポンピングにおけるチャーン数を評価した。またポンピングの有無が、超格子パラメーターの時間変化の軌跡が特異点を囲むか否かという"トポロジー"の違いで決定されるというRice-Mele模型にもとづく予言を確認するため、実際にトポロジカルに異なる2通りのポンピングサイクルを構築し、この両者のポンプ量に明確な違いがあることを実験で明らかにした。
また後半では、ETH Zurichの量子光学研究室に滞在し、冷却Li原子集団をこの系のフェルミ波長の精度で操作・観測出来る高分解能光学系の技術を習得するとともに、この実験系を利用した冷却Li原子を用いたメゾスコピック系の量子シミュレーションの研究を行なった。特に、デジタルミラーデバイス(DMD)を利用した冷却原子系に対する走査型ゲート顕微法を開発し、光トラップによる"量子ポイントコンタクト"ポテンシャル構造の実空間観測、およびトラップ中の冷却原子の量子コヒーレンスの直接観測に成功した。このDMD技術は今後の冷却原子系への応用が期待できるものである。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] A Three-Dimensional Optical Lattice of Ytterbium and Lithium Atomic Gas Mixture (2014)
  • Author(s): H. Hara, H. Konishi, S. Nakaiima, Y. Takasu, and Y. Takahashi
  • Journal Title: Journal of the Physical Society of Japan Volume: 83
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 冷却原子を用いた量子シミュレーション (2013)
  • Author(s): 中島秀太, 高橋義朗
  • Journal Title: 固体物理 Volume: 48 Pages: 679-687
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Topological Charge Pumping in a One-Dimensional Optical Superlattice (仮題) (2015)
  • Author(s): S. Nakajima and Y. Takahashi
  • Organizer: Synthetic Quantum Magnetism
  • Place of Presentation: ドイツ, ドレスデン
  • Year and Date: 2015-08-31 – 2015-09-04
  • Invited
• [Presentation] Scanning Gate Microscopy Technique for Ultracold Atoms (仮題) (2015)
  • Author(s): S. Nakajima, M. Lebrat, S. Hausler, D. Husmann, S. Krinner, J-P. Brantut, and T. Esslinger
  • Organizer: The 22nd International Conference on Laser Spectroscopy
  • Place of Presentation: シンガポール
  • Year and Date: 2015-06-28 – 2015-07-03
• [Presentation] 光Lieb格子中に導入された冷却イッテルビウムのボース原子系の振舞い (2015)
  • Author(s): 一ノ瀬友宏，小沢秀樹，田家慎太郎，中島秀太，高橋義朗
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] 量子ゼノ効果による3次元光格子中でのYb原子3P2状態の強相関状態の生成 (2015)
  • Author(s): 富田隆文，中島秀太，高須洋介，高橋義朗
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学
  • Year and Date: 2015-03-21 – 2015-03-24
• [Presentation] 1次元光超格子上のトポロジカル電荷ポンピングの理論 (2014)
  • Author(s): 尾崎順一，中島秀太，手塚真樹，川上則雄
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] 1次元光超格子系を用いたトポロジカル電荷ポンピングの実験 (2014)
  • Author(s): 中島秀太，一ノ瀬友宏，富田隆文，小沢秀樹，田家慎太郎，高橋義朗
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] 光格子に導入された冷却Yb-Li原子混合系の振舞いⅡ (2014)
  • Author(s): 小西秀樹，Florian Schaefer，植田信也，中島秀太，高須洋介，高橋義朗
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] Lieb型光格子中でのイッテルビウム量子気体の高分解能レーザー分光 (2014)
  • Author(s): 小沢秀樹，田家慎太郎，一ノ瀬友宏，中島秀太，高橋義朗
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] Topological Charge Pumping in a One-Dimensional Optical Superlattice (2014)
  • Author(s): S. Nakajima, T. Tomita, T. Ichinose, H. Ozawa, S. Taie, and Y. Takahashi
  • Organizer: Satelite workshop at Osaka University of AQIS 2014
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2014-08-25 – 2014-08-26
• [Presentation] 光格子に導入された冷却Yb-Li原子混合系のふるまい (2014)
  • Author(s): 小西秀樹, 原秀明, F. Schtifer, 足立景亮, 中島秀太, 高須洋介, 高橋義朗
  • Organizer: 日本物理学会 第69回年次大会
  • Place of Presentation: 東海大学 湘南キャンパス
  • Year and Date: 2014-03-28
• [Presentation] Quantum Simulations with Ultracold Atoms in a Tunable Optical Lieb Lattirp (2013)
  • Author(s): 中島秀太, 西尾卓衛, 小沢秀樹, 一ノ瀬友宏, 田家慎太郎, 高橋義朗
  • Organizer: FIRST量子情報処理プロジェクト全体会議2013
  • Place of Presentation: 東京大学 小柴ホール
  • Year and Date: 2013-12-10
• [Presentation] Lieb型光格子の実現 (2013)
  • Author(s): 西尾卓衛, 中島秀太, 田家慎太郎, 小沢秀樹, 高橋義朗
  • Organizer: 日本物理学会 2013年秋季大会
  • Place of Presentation: 徳島大学 常三島キャンパス
  • Year and Date: 2013-09-26
• [Presentation] Towards Construction of An Optical Lieb Lattice (2013)
  • Author(s): S. Nakaiima, T. Nishio, S. Taie, and Y. Takahashi
  • Organizer: The 11th US-Japan Joint Seminar on Quantum Electronics and Laser Spectroscopy
  • Place of Presentation: Nara, Japan
  • Year and Date: 2013-04-09
• [Presentation] 冷却Yb-Li原子混合系の光格子の開発 (2013)
  • Author(s): 小西秀樹, 原秀明, 中島秀太, 高須洋介, 高橋義朗
  • Organizer: 日本物理学会第68回年次大会
  • Place of Presentation: 広島大学(広島県)
  • Year and Date: 2013-03-27
• [Presentation] Ultracold Yb-Li Mixtures : Towards Quantum Simulation of Doped Simerconductors (2012)
  • Author(s): 中島秀太, 原秀明, 小西秀樹, 高須洋介, 高橋義朗
  • Organizer: FIRST量子情報システム・量子シミュレーション合同サブテーマミーティング
  • Place of Presentation: 湘南国際村センター(神奈川県)
  • Year and Date: 2012-11-26
• [Presentation] Quantum simulation of doped superconductors using ultracold Yb-Li mixtures (2012)
  • Author(s): 中島秀太, 原秀明, 小西秀樹, 高須洋介, 高橋義朗
  • Organizer: FIRST-QIPP夏季研修会(量子情報未来テーマ開拓研究会)
  • Place of Presentation: ホテルブリーズベイマリーナ(沖縄県)