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懸架鏡の基底状態冷却

研究課題

研究課題/領域番号 16J01010
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理(実験)
研究機関東京大学

研究代表者

小森 健太郎  東京大学, 大学院理学系研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2016-04-22 – 2019-03-31
研究課題ステータス 完了 (2018年度)
配分額 *注記
2,800千円 (直接経費: 2,800千円)
2018年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2017年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2016年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
キーワード重力波 / オプトメカニクス / 重力波実験
研究実績の概要

レーザー光と機械振動子の結合系を記述するオプトメカニクスの技術を用いることで、レーザー光の輻射圧を利用して振動子の変位量を小さくし実効温度を低下させることが可能となり、究極的には巨視的な振動子の量子力学的な性質を明らかにすることができると期待されている。量子力学における重力の役割を検証するためには様々な質量スケールの振動子を用いることが重要であるが、中でも私たちは、重力波検出器の精密測定技術を応用することができる懸架された鏡(質量はmg程度)に着目し、巨視的重ね合わせ状態の生成に向けて、懸架鏡の振動モードを基底状態まで冷却することを目指した。
mgスケールの振動子を冷却するため、棒状鏡をねじれ振り子として用いてその両端で光共振器を構築し、差動信号を取得して回転モードを測定するという新たな手法を考案した。この手法の主な利点は、回転モードは通常の振り子モードと比較して共振周波数が非常に低いため、冷却の障害となる熱雑音を小さく抑えることができる点である。基底状態冷却のためには、着目している振動モードが量子輻射圧揺らぎで駆動されることが必要条件となるため、まずは棒状鏡の回転モードで量子輻射圧揺らぎを観測することを目標とした実験を行った。
試験マスとなる振動子は、質量10 mg、長さ15 mmの棒状鏡を直径6umの炭素繊維で懸架したものである。結果として、量子輻射圧揺らぎと測定された雑音の信号雑音比0.14±0.03を達成した。これは、100 Hz付近の輻射圧揺らぎ測定における世界最高の結果であり、mg-g程度の質量の振動子を用いた測定においても世界最高の結果である。今後はさらなる雑音低減や、曲率つき鏡を両端に配置したダンベル型のねじれ振り子光共振器の開発などを行い、より高い信号雑音比での輻射圧揺らぎの観測、および基底状態までの冷却を目指す。

現在までの達成度 (段落)

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実績報告書
  • 研究成果

    (19件)

すべて 2019 2018 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 8件、 査読あり 7件、 オープンアクセス 7件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 3件、 招待講演 2件)

  • [国際共同研究] マサチューセッツ工科大学(米国)

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [雑誌論文] Demonstration of Displacement Sensing of a mg-Scale Pendulum for mm- and mg-Scale Gravity Measurements2019

    • 著者名/発表者名
      N. Matsumoto, S. B. Catano-Lopez, M. Sugawara, S. Suzuki, N. Abe, K. Komori, Y. Michimura, Y. Aso, and K. Edamatsu
    • 雑誌名

      Phys. Rev. Lett.

      巻: 122 号: 7 ページ: 071101-071101

    • DOI

      10.1103/physrevlett.122.071101

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Direct approach for the fluctuation-dissipation theorem under nonequilibrium steady-state conditions2018

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Komori, Yutaro Enomoto, Hiroki Takeda, Yuta Michimura, Kentaro Somiya, Masaki Ando, Stefan W. Ballmer
    • 雑誌名

      Phys. Rev. D

      巻: 97 号: 10 ページ: 102001-102001

    • DOI

      10.1103/physrevd.97.102001

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Particle swarm optimization of the sensitivity of a cryogenic gravitational wave detector2018

    • 著者名/発表者名
      Yuta Michimura, Kentaro Komori, Atsushi Nishizawa, Hiroki Takeda, Koji Nagano, Yutaro Enomoto, Kazuhiro Hayama, Kentaro Somiya, Masaki Ando
    • 雑誌名

      Phys. Rev. D

      巻: 97 号: 12 ページ: 122003-122003

    • DOI

      10.1103/physrevd.97.122003

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Polarization test of gravitational waves from compact binary coalescences2018

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Takeda, Atsushi Nishizawa, Yuta Michimura, Koji Nagano, Kentaro Komori, Masaki Ando, Kazuhiro Hayama
    • 雑誌名

      Phys. Rev. D

      巻: 98 号: 2 ページ: 22008-22008

    • DOI

      10.1103/physrevd.98.022008

    • NAID

      130007735273

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] A Direct Approach for the Fluctuation-Dissipation Theorem under Non-Equilibrium Steady-State Conditions2018

    • 著者名/発表者名
      K. Komori, Y. Enomoto, H. Takeda, Y. Michimura, K. Somiya, M. Ando, S. W. Ballmer
    • 雑誌名

      arXiv

      巻: 1803.00585

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Mirror actuation design for the interferometer control of the KAGRA gravitational wave telescope2017

    • 著者名/発表者名
      Michimura Yuta , Shimoda Tomofumi , Miyamoto Takahiro , Shoda Ayaka , Okutomi Koki , Fujii Yoshinori , Tanaka Hiroki , Barton Mark A , Takahashi Ryutaro , Aso Yoichi , et al.
    • 雑誌名

      Classical and Quantum Gravity

      巻: 34 号: 22 ページ: 225001-225001

    • DOI

      10.1088/1361-6382/aa90e3

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Construction of KAGRA: an underground gravitational-wave observatory2017

    • 著者名/発表者名
      KAGRA Collaboration、ほか
    • 雑誌名

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      巻: 2018 号: 1 ページ: 1-23

    • DOI

      10.1093/ptep/ptx180

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Direct measurement of optical-trap-induced decoherence2016

    • 著者名/発表者名
      Nobuyuki Matsumoto, Kentaro Komori, Sosuke Ito, Yuta Michimura, and Yoichi Aso
    • 雑誌名

      Physics Review A

      巻: 94 号: 3 ページ: 033822-033822

    • DOI

      10.1103/physreva.94.033822

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] ねじれ振り子を用いた量子輻射圧揺らぎの観測2019

    • 著者名/発表者名
      小森健太郎、榎本雄太郎、Ooi Ching Pin、宮崎祐樹、松本伸之、道村唯太、安東正樹
    • 学会等名
      日本物理学会第74回年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Towards observation of quantum radiation pressure fluctuation acting on a torsion pendulum2018

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Komori, Yutaro Enomoto, Ching Pin Ooi, Nobuyuki Matsumoto, Yuca Michimura, Masaki Ando
    • 学会等名
      Gravitational Wave Advanced Detector Workshop 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 量子輻射圧揺らぎ観測に向けたねじれ振り子光共振器の変位雑音評価2018

    • 著者名/発表者名
      小森健太郎、榎本雄太郎、Ooi Ching Pin、松本伸之、道村唯太、安東正樹
    • 学会等名
      日本物理学会2018年秋季大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 量子輻射圧揺らぎ観測に向けたねじれ振り子光共振器のロック2018

    • 著者名/発表者名
      小森健太郎,榎本雄太郎,Ooi Ching Pin,松本伸之,道村唯太,安東正樹
    • 学会等名
      日本物理学会第73回年次大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Suspension thermal noise calculations for KAGRA2017

    • 著者名/発表者名
      K. Komori, Y. Enomoto, H. Takeda, Y. Michimura, K. Somiya, M. Ando, S. W. Ballmer
    • 学会等名
      17th KAGRA face-to-face meeting
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Towards observation of quantum radiation pressure fluctuation acting on a torsion pendulum2017

    • 著者名/発表者名
      K. Komori, Y. Enomoto, C. P. Ooi, N. Matsumoto, Y. Michimura, M. Ando
    • 学会等名
      18th KAGRA face-to-face meeting
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 聴きとろう!宇宙を漂う残響を2017

    • 著者名/発表者名
      小森健太郎
    • 学会等名
      第28回物理教育に関するシンポジウム
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 量子輻射圧揺らぎ観測に向けたねじれ振り子光共振器の構築2017

    • 著者名/発表者名
      小森健太郎,Ooi Ching Pin,榎本雄太郎,松本伸之,道村唯太,安東正樹
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] ねじれ振り子での量子輻射圧揺らぎ観測に向けたレーザー光の周波数、強度安定化2017

    • 著者名/発表者名
      小森健太郎、松本伸之、Ooi Ching Pin、道村唯太、安東正樹
    • 学会等名
      日本物理学会第72回年次大会
    • 発表場所
      大阪大学(大阪府吹田市)
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 量子輻射圧揺らぎ観測に向けた低熱雑音ねじれ振り子の開発2016

    • 著者名/発表者名
      小森健太郎、松本伸之、道村唯太、安東正樹
    • 学会等名
      日本物理学会2016年秋季大会
    • 発表場所
      宮崎大学(宮崎県宮崎市)
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書

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公開日: 2016-05-17   更新日: 2024-03-26  

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