冷却分子の量子エンタングル状態を用いた電子EDM探索

• Project/Area Number: 22KJ1163
• Project/Area Number (Other): 22J23248 (2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 15020:Experimental studies related to particle-, nuclear-, cosmic ray and astro-physics
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 岡本 直大 東京大学, 総合文化研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,500,000 (Direct Cost: ¥2,500,000); Fiscal Year 2024: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2023: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2022: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
• Keywords: ストロンチウム / レーザー冷却 / 電気双極子能率 / 準安定状態 / 磁気光学トラップ / 実験核物理 / 量子エレクトロニクス / 原子・分子物理

Outline of Research at the Start

素粒子物理学において非常に多くの現象を説明する理論として標準模型がある。近年、その標準模型を超える物理の探索が、加速器を用いた手 法のみならず、原子分子の精密測定による手法でも盛んに行われている。後者の重要課題として、電子の電気双極子モーメント(EDM)探索がある。電子のEDMは、冷却した原子、分子を用いて超高感度に測定でき、世界的に研究されているが、まだ実験により観測されていない。 そこで、本研究は冷却原子から人工的に冷却分子を生成することで、冷却分子の量子エンタングル状態を用いた電子EDM探索を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、電子電気双極子能率 (EDM) の高感度測定に必要不可欠である、Sr原子の冷却に関する研究に取り組んだ。特に、研究テーマに尽力できる人材が私だけである状況において、Sr原子の従来の冷却方法における実験系の複雑さを回避するため、Sr原子冷却の簡便化に注力して研究を行った。
原子のレーザー冷却のシステムは、真空装置、光学系、レーザー光源、レーザー周波数安定化というサブシステムからなる。そして、前年度までに真空装置の小型化、光学系、レーザー光源、レーザー周波数安定化を行なった。本年度は、これらのサブシステムを実際に統合して運用し、Srの磁気光学トラップ (MOT)を行うことに成功した。特に、真空装置の観点からこの結果を見ると、世界初の方式でMOTを行った。さらに、このMOTの粒子数、温度、寿命を定量的に評価することにより、真空装置の性能評価を行った。加えて、10^7個という冷却原子を用いる実験を行うには十分な数の冷却原子がMOTにより生成されていることがわかった。
また、レーザー周波数安定化の簡便化という観点から、深層学習を用いた周波数予測によるフィードフォワード制御を提案し、その前提となる周波数予測を行った。その結果、自然幅(原子が光を吸収できる光の周波数の範囲)程度の範囲内で周波数を予測できることがわかった。一方、レーザー冷却においてはレーザー周波数を自然幅以内に制御する必要がある。このことから、深層学習によるレーザー周波数安定化はレーザー冷却にも適用できる可能性を持っていることがわかった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

一人でMOT実験を実行できるような小型化、簡便化された実験系を作成し、それに基づきMOTを実行することができるようになった。この実験系により、冷却Sr原子を用いた実験進捗が加速すると期待される。

Strategy for Future Research Activity

昨年度は、SrのMOTを行うための実験系の小型化・簡便化に成功し、さらにその実験系を用いて実際にSrのMOTを行うことに成功した。
今年度はこの実験系を用いて、準安定状態(3P2)MOTを実現したいと考えている。そのために、まずは準安定状態MOTに関係するSrのエネルギー準位の特性を調べる実験を行う。

Research Products

• [Journal Article] 量子エンタングル Fr 原子を用いた電子 EDM の量子センシング (2022)
  • Author(s): 青木貴稔、佐藤拓海、 岡本直大、鳥井寿夫、中村圭佑、永瀬慎太郎、長濱弘季、小澤直也、佐藤幹、中下輝士、山根風樹、松田恭幸、酒見泰寛、早水友洋、大塚未来、高峰愛子、上野秀樹、羽場宏光、田中香津生、原田健一、川村広和、井上壮志、内山愛子、畠山温、市川雄一、松尾由賀利, R.Sreekantham, B.Sahoo, B.Arora, A.Kastberg,
  • Journal Title: 電気学会 電子回路研究会 ECT Volume: 22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of the Mx magnetometer toward the search for dark matter (2024)
  • Author(s): T. Aoki, Y. Ishii, N. Okamoto, Y. Torii et al.,
  • Organizer: The 15th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2024)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] バッファガス入りCs原子マイクロセルアレイを用いた量子センシング (2023)
  • Author(s): 石井佑, 青木貴稔, 岡本直大 他
  • Organizer: 第40回「センサ・マイクロシステムと応用システム」シンポジウム
• [Presentation] ダークマター探索のためのCs原子の磁気光学トラップ (2023)
  • Author(s): 田中聡, 石川知輝, 河西壱輝, 岡本直大, 早水友洋, A. Kastberg, B. K. Sahoo, B. P. Das, 西野仁, 小野崇人, 羽場宏光, 東條賢, 酒見泰寛, 松尾由賀利, 鳥井寿夫, 青木貴稔
  • Organizer: 日本物理学会 2023年春季大会
• [Presentation] Birefringent atomic vapor laser lock for laser cooling experiments (2022)
  • Author(s): N. Okamoto, T. Sato, T.Aoki, Y.Torii
  • Organizer: Ultracold Atoms Japan 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Quantum sensing of the electron electric dipole moment using ultracold entangled Fr atoms (2022)
  • Author(s): T. Aoki,R. Sreekantham,B. K. Sahoo,B.Arora,A. Kastberg,T. Sato,N. Okamoto,Y. Torii,T. Hayamizu,K. Nakamura,S. Nagase,M. Ohtsuka,H. Nagahama,N. Ozawa,M. Sato,T. Nakashita,K. Yamane,K. Tanaka,K. Harada,H. Kawamura,T. Inoue,A. Uchiyama,A. Hatakeyama,A. Takamine,H. Ueno,Y. Ichikawa,Y. Matsuda,Y. Matsuo,H. Haba,Y. Sakemi
  • Organizer: 14th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2022)
  • Int'l Joint Research / Invited