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原子干渉計におけるデコヒーレンス時間の質量依存性の研究

研究課題

研究課題/領域番号 20K14482
研究種目

若手研究

配分区分基金
審査区分 小区分15020:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する実験
研究機関東京大学

研究代表者

中村 圭佑  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 特任研究員 (00795982)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2020年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
キーワード磁気光学トラップ / 光格子 / 光ファイバ増幅器 / 原子干渉計 / 周波数安定化 / レーザー冷却 / デコヒーレンス / 量子重力 / 精密分光
研究開始時の研究の概要

一般相対性理論と量子力学を統一的に説明できる、いわゆる量子重力理論を確立しようとする試みは、現代物理学におけて最大の挑戦の一つである。幾つかの理論候補が提案されているが、実験的な検証ができずにいる。近年、原子干渉計のデコヒーレンスを用いて量子重力を探索する方法が提案された。本研究では、原子干渉計におけるデコヒーレンス時間の質量依存性を検証することで量子重力理論の実験的検証に挑む。

研究実績の概要

本研究では、安定同位体であるルビジウム87とルビジウム85を同時にレーザー冷却・光格子トラップし、同じ環境下で原子干渉計を構成し、デコヒーレンス時間の質量依存性を精密検証することで量子重力理論の実験的検証に挑む。研究期間内に、①冷却光源・光学系と周波数安定化機構、②磁気光学トラップ(MOT)用の真空チェンバー及び観測系、③光格子用光源・光学系、④ラムゼー測定用マイクロ波源(あるいは2光子誘導ラマン光源)及びタイミング系・観測系の各種開発・評価、⑤デコヒーレンス時間の測定及び質量依存性の検証、の手順で研究を進める。
2023年度は③と④に取り組み、偏光勾配冷却(PGC)と光双極子トラップ(ODT)を達成した。Rb原子をPGCによってドップラー限界温度(Rbの場合146 uK)以下の3 uKまで冷却させることで、波長1064 nm、光出力7 W、ビームウエスト径35 umのレーザー光で形成したトラップ深さ350 uKのODTに移行効率3 %で装填させることに成功した。今後は、1064 nm光をミラーで折り返し定在波にすることで、1次元光格子トラップの実証実験を行う。光格子では、トラップ深さが4倍になるため移行効率の向上も期待される。
また、②の構成について、Rb原子供給源を当初のディスペンサーからアンプルに変えることで供給力強化を行うとともに、併せて当初の1段型MOTシステムから2段型に変えることで、ラムゼー測定を行うMOT真空槽内(2段目)の真空度が10^-9 Pa以下になるように改善した。これらの改造により、尋問時間10 s級のラムゼー測定を長期にわたり実行可能な環境を整えた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

尋問時間10 s級のラムゼー測定を長期にわたり実行可能にするため、当初のMOTシステム(Rb原子供給源:ディスペンサー、構成:1段型MOT)から新しいシステム(Rb原子供給源:アンプル、構成:2段型MOT)に改造した。それらの改造作業に時間を要したため。

今後の研究の推進方策

2024年度は⑤に取り組み、最終目標であるデコヒーレンス時間の質量依存性の精密検証を行う。

報告書

(4件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (11件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 1件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Absorption spectroscopy measurements of molecular iodine for magneto-optical trapping of francium atoms2023

    • 著者名/発表者名
      K. Nakamura, S. Nagase, T. Nakashita, T. Hayamizu, T. Aoki, H. Nagahama, N. Ozawa, M. Sato, M. Fukase, D. Uehara, A. Takamine, and Y. Sakemi
    • 雑誌名

      RIKEN Accelerator Progress Report

      巻: 56 ページ: 108-108

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Design of the optical lattice trap as a tool for precision spectroscopy using heavy atoms2023

    • 著者名/発表者名
      N. Ozawa, K. Nakamura, S. Nagase, T. Nakashita, H. Nagahama, and Y. Sakemi
    • 雑誌名

      CNS Annual Report

      巻: 2021 ページ: 43-44

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of a Laser Frequency Stabilization and an Optical Transmission System for the Francium Electric Dipole Moment Search2022

    • 著者名/発表者名
      K. Nakamura, S. Nagase, T. Nakashita, T. Hayamizu, T. Aoki, H. Nagahama, N. Ozawa, M. Sato, K. Yamane, M. Fukase, D. Uehara, A. Takamine and Y. Sakemi
    • 雑誌名

      Journal of Physics: Conference Series

      巻: 2249 号: 1 ページ: 0120101-7

    • DOI

      10.1088/1742-6596/2249/1/012010

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Long polarization-maintaining fiber link (440 m) for magneto-optical trapping of Francium atoms2022

    • 著者名/発表者名
      K. Nakamura, S. Nagase, T. Nakashita, T. Hayamizu, T. Aoki, H. Nagahama, N. Ozawa, M. Sato, K. Yamane, M. Fukase, D. Uehara, A. Takamine and Y. Sakemi
    • 雑誌名

      RIKEN Accelerator Progress Report

      巻: 55 ページ: 95-95

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 400-m-Long Polarization-Maintaining Fibers for Magneto-Optical Trapping of Francium Atoms2022

    • 著者名/発表者名
      K. Nakamura, S. Nagase, T. Nakashita, T. Hayamizu, T. Aoki, H. Nagahama, N. Ozawa, M. Sato, K. Yamane, M. Fukase, D. Uehara, A. Takamine and Y. Sakemi
    • 雑誌名

      Proceedings of the 2022 Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim

      巻: 2022

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantum sensing of the electron electric dipole moment using ultracold entangled Fr atoms2021

    • 著者名/発表者名
      Aoki T、Sreekantham R、Sahoo B K、Arora Bindiya、Kastberg A、Takamine A、Ueno H、Ichikawa Y、Matsuda Y、Haba H、Sakemi Y et al.
    • 雑誌名

      Quantum Science and Technology

      巻: 6 号: 4 ページ: 044008-044008

    • DOI

      10.1088/2058-9565/ac1b6a

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 冷却Fr原子を用いたEDM探索プロジェクトの開発状況2023

    • 著者名/発表者名
      中村圭佑
    • 学会等名
      第12回 停止・低速RIビームを用いた核分光研究会(12th SSRI)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] Current status of development of laser optics for Fr permanent electric dipole moment2023

    • 著者名/発表者名
      K. Nakamura, S. Nagase, T. Nakashita, H. Nagahama, M. Sato, M. Fukase, and Y. Sakemi
    • 学会等名
      Symposium University of Tokyo - ETH Zurich - University of Zurich
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 400-m-Long Polarization-Maintaining Fibers for Magneto-Optical Trapping of Francium Atoms2022

    • 著者名/発表者名
      K. Nakamura, S. Nagase, T. Nakashita, T. Hayamizu, T. Aoki, H. Nagahama, N. Ozawa, M. Sato, K. Yamane, M. Fukase, D. Uehara, A. Takamine and Y. Sakemi
    • 学会等名
      Proceedings of the 2022 Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of a laser frequency stabilization and an optical transmission system for the francium electric dipole moment search2021

    • 著者名/発表者名
      K. Nakamura, S. Nagase, T. Nakashita, T. Hayamizu, T. Aoki, H. Nagahama, N. Ozawa, M. Sato, K. Yamane, M. Fukase, D. Uehara, A. Takamine, and Y. Sakemi
    • 学会等名
      The 29th annual International Laser Physics Workshop (LPHYS'21)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] フランシウム原子の電子電気双極子能率探索のためのレーザー周波数安定化機構と光伝送系の開発2021

    • 著者名/発表者名
      中村圭佑,永瀬慎太郎,中下輝士,早水友洋,青木貴稔,長濱弘季,小澤直也,佐藤幹,山根風樹,深瀬実来,上原大祐,高峰愛子, 酒見泰寛
    • 学会等名
      第82回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書

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公開日: 2020-04-28   更新日: 2024-12-25  

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