冷却機械振動子を用いた微小重力の測定

• 研究課題/領域番号: 19H00671
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分15:素粒子、原子核、宇宙物理学およびその関連分野
• 研究機関: 学習院大学 (2021-2023); 東北大学 (2019-2020)
• 研究代表者: 松本 伸之 学習院大学, 理学部, 准教授 (30750294)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 42,380千円 (直接経費: 32,600千円、間接経費: 9,780千円); 2023年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2022年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2021年度: 5,590千円 (直接経費: 4,300千円、間接経費: 1,290千円); 2020年度: 14,820千円 (直接経費: 11,400千円、間接経費: 3,420千円); 2019年度: 13,260千円 (直接経費: 10,200千円、間接経費: 3,060千円)
• キーワード: 重力測定 / オプトメカニクス / 低散逸振動子 / 安定化光源 / 低周波防振 / 光計測 / 重力定数 / 度量衡 / フィードバック冷却 / 光学トラップ / 量子制御 / ウィーナフィルタ / カルマンフィルタ / 量子もつれ / 微小重力 / レーザー溶接 / ナノファイバー

研究開始時の研究の概要

重力定数の測定精度は全ての物理定数の中で最も低い。これまでは、ねじれ振り子や原子干渉計により、質量90 g以上の大きな物体が生成する重力が測定されてきた。しかし、大きな物体を精度よく作製することは困難なため、測定の系統誤差が大きいという問題があった。系統誤差を低減するため、精密に作製された小さな振動子間の重力を測定すれば良い。しかし、重力の測定は重力源の質量で感度が決まるため、小さな物体の生成する重力の測定は困難である。本研究では、mgスケールの微小な物体間の重力の初検出に挑む。
微小物体間の重力の測定は重力定数の測定精度向上のみならず、重力相互作用の量子性の検証にもつながることが期待される。

研究実績の概要

質量がミリグラム程度の微小なソースマスを使った重力測定実験の実現を目指して装置開発を進めた結果、下記の4項目に成功した。(1)Q値が100万程度の2本吊低散逸懸架鏡の開発、(2)変位感度が3×10^-18 m/sqrt(Hz)@500Hzを実現可能な強度と周波数が安定化された光源の開発、(3)真空対応の低周波防振装置（>0.5Hz）の開発、(4)共振器長が従来よりも5倍短い（周回長=2cm）光共振器の開発。
研究期間内に光共振器を動作させることはできなかったため、重力測定実験には未だ着手できていないが、上記の4項目から、重力測定に向けて着実に実験を進展させられたと考えられる。項目(1)により、変位計測の原理雑音の一種である熱雑音を十分に低減できた。さらに、懸架線を従来の1本から2本に変更することで、懸架鏡の回転方向（yaw）の共振周波数を十分に高めることができたため、項目(4)の共振器長の短い、つまり光源の周波数雑音に対して不感な共振器を実現できた。1本の懸架線の場合、光圧トルクによる不安定性を除去するために共振器形状を三角形にする必要があったため、共振器長は10cm程度までしか短くできなかった。二本線で懸架した新たなシステムでは、機械的な復元力が光圧トルクによる反復元力より大きいため、2枚の合わせ鏡からなる周回長の短い光共振器を安定化できる。項目(3)により、光源の雑音も十分に除去できた。周波数雑音に関してはインループ評価による雑音の推定結果ではあるものの、項目(4)によって、先行研究よりも5倍周波数雑音を低減できることは間違いない。項目(3)によって、新たな実験環境で観測された建物の固有振動（～1Hz）の影響を十分に除去できる見込みである。
よって、以上の4項目の達成により、微小重力の観測に向けて着実な装置開発を進めることができたと言える。

現在までの達成度 (段落)

令和5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

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Effective description of a suspended mirror coupled to cavity light -Limitations of Q-enhancement due to normal mode splitting by an optical spring- (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuuki Sugiyama, Tomoya Shichijo, Nobuyuki Matsumoto, Akira Matsumura, Daisuke Miki, Kazuhiro Yamamoto
  • 雑誌名: Phys. Rev. A 巻: 107 号: 3 ページ: 033515-033515
  • DOI: 10.1103/physreva.107.033515
  • 査読あり
• [雑誌論文] Generating quantum entanglement between macroscopic objects with continuous measurement and feedback control (2023)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Miki, Nobuyuki Matsumoto, Akira Matsumura, Tomoya Shichijo, Yuuki Sugiyama, Kazuhiro Yamamoto, Naoki Yamamoto
  • 雑誌名: Phys. Rev. A 巻: 107 号: 3 ページ: 032410-032410
  • DOI: 10.1103/physreva.107.032410
  • 査読あり
• [雑誌論文] Recent advances toward mesoscopic quantum optomechanics (2023)
  • 著者名/発表者名: M. Croquette, S. Deleglise, T. Kawasaki, K. Komori, M. Kuribayashi, A. Lartaux-Vollard, N. Matsumoto, Y. Michimura, et al.
  • 雑誌名: AVS Quantum Sci. 巻: 5 号: 1 ページ: 014403-014403
  • DOI: 10.1116/5.0128487
• [雑誌論文] High- Q Milligram-Scale Monolithic Pendulum for Quantum-Limited Gravity Measurements (2020)
  • 著者名/発表者名: Seth B. Catano-Lopez, Jordy G. Santiago-Condori, Keiichi Edamatsu, and Nobuyuki Matsumoto
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 123 号: 22 ページ: 221102-221102
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.221102
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 精密変位計測に基づく低散逸振動子の重力/量子実験への応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松本伸之
  • 学会等名: レーザー学会第43回年次大会、2023年1月18-20日
  • 招待講演
• [学会発表] 超軽量ダークマター探索に向けた巨視的振動子の量子計測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松本伸之
  • 学会等名: 第5回新方式精密計測による物理・工学的変革を目指す回路技術調査専門委員会、京都大学、2023年10月28日
  • 招待講演
• [学会発表] 精密変位計測に基づく低散逸振動子の重力/量子実験への応用 (2023)
  • 著者名/発表者名: 松本伸之
  • 学会等名: レーザー学会第43回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum control and gravity sensing by using low-dissipative pendulum (2022)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Matsumoto
  • 学会等名: QUP workshop: toward Project Q
  • 招待講演
• [学会発表] Conditional squeezing of a macroscopic pendulum near quantum regimes (2022)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Matsumoto
  • 学会等名: 15th Asia Pacific Physics Conference (APPC15)
  • 招待講演
• [学会発表] 力の精密計測が拓く物理学 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松本伸之
  • 学会等名: KEK WPI研究所（QUP）プロジェクト検討会
  • 招待講演
• [学会発表] 巨視的振り子の条件付き位置スクイーズ状態の生成 (2022)
  • 著者名/発表者名: 松本伸之
  • 学会等名: 光応用工学特別研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Towards quantum sensing with table-top scale pendulum (2021)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Matsumoto
  • 学会等名: Quantum sensors of magnetic and inertial forces
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Towards quantum sensing with table-top scale pendulum (2021)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Matsumoto
  • 学会等名: WHERE QUANTUM INFORMATION & QUANTUM TECHNOLOGIES MEET GRAVITY IN LABORATORY
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High Q mg-scale monolithic pendulum for quantum-limited force sensing (2021)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Matsumoto
  • 学会等名: XI International Symposium on Modern Problems of Laser Physics and School for young scientists (MPLP-2021)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 量子振り子の開発と応用 (2021)
  • 著者名/発表者名: 松本伸之
  • 学会等名: KEK物構研コロキウム
  • 招待講演
• [学会発表] 微小な重力の観測に向けた低散逸振動子の量子計測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 松本伸之
  • 学会等名: 巨視的量子現象と量子重力
  • 招待講演
• [学会発表] 光計測による巨視的物体の量子制御 (2021)
  • 著者名/発表者名: 松本伸之
  • 学会等名: 量子エレクトロニクス研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Demonstration of conditional mechanical squeezing of a massive pendulum (2021)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Matsumoto
  • 学会等名: KEK IPNS-IMSS-QUP Joint workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 微小重力センシングを目指したメカニカルレーザークーリング (2020)
  • 著者名/発表者名: 松本伸之
  • 学会等名: 一般社団法人レーザー学会学術講演会第40回年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Displacement sensing of a pendulum for gravity measurements (2019)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Matsumoto
  • 学会等名: International Conference on Quantum Metrology and Sensing
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Considerations with specific architectures: suspended pendulums (2019)
  • 著者名/発表者名: Nobuyuki Matsumoto
  • 学会等名: Quantum Optomechanical Architectures for Dark Matter Detection
  • 国際学会 / 招待講演
• [図書] 物理科学この一年 2020（担当範囲：機械振動子の量子制御と低雑音重力センサー） (2020)
  • 著者名/発表者名: 松本伸之
  • 総ページ数: 166
  • 出版者: 丸善出版
  • ISBN: 9784621304860
• [備考] 学習院大学 松本研究室
  • URL: https://sites.google.com/view/matsumotolab-gakushuin/publication
• [備考] 学習院大学 松本研究室
  • URL: https://sites.google.com/view/matsumotolab-gakushuin/home