| 研究課題/領域番号 |
21K03421
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分13020:半導体、光物性および原子物理関連
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| 研究機関 | 明治大学 |
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研究代表者 |
金本 理奈 明治大学, 理工学部, 専任教授 (00382028)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2021年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
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| キーワード | オプトメカニクス / 多体量子論 / 冷却原子気体 / ナノ粒子 / 非線形ダイナミクス |
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| 研究開始時の研究の概要 |
光共振器中にトラップされた原子気体のボース・アインシュタイン凝縮体(BEC)や、誘電体微粒子を用いたオプトメカニクスの量子多体理論を展開する。原子気体や微粒子を用いたオプトメカニクスの先行研究では、従来オプトメカニカル結合に由来するダイナミクスの解明に注力されてきた。本研究ではこの結合に加え、 (i) 原子間相互作用、(ii) 共振器光子が媒介する微粒子間の散逸型非線形相互作用、(iii) 中性原子と微粒子表面間にはたらく分散力相互作用、に由来する量子多体効果を解明する。
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| 研究実績の概要 |
冷却原子気体や微粒子を用いたオプトメカニクスは、懸架熱源との接触無しに光で機械振動子を捕捉できるため優れたコヒーレンス特性を有することから、超精密計測をはじめとする量子技術応用への期待が高まっている。しかし当研究開始当時、先行研究ではオプトメカニカル相互作用にのみに由来するダイナミクスの解明に注力しており、それ以外の相互作用の評価は十分とはいえなかった。本研究では特に冷却原子気体、ナノ粒子により構成される多体系の重心運動状態制御技術とオプトメカニカルセンシング感度の向上を目的として、多体相互作用や異種物質間の相互作用が物質の重心運動のダイナミクスに及ぼす影響を解明することを目指している。
2023年度は次の研究を実施した。
1) 前年度までに、オプトメカニカル相互作用を利用して円環上の原子気体超流動流の角運動量を準非破壊的に高感度で検出可能であることを提唱した。2023年度はこの手法の適用範囲の拡大と感度の改良に注力した。これまでの提案手法では角運動量の大きさの検出のみが可能であったが、光格子そのものを低速度で回転させることによって超流動流の大きさだけでなく向きも検出が可能であることを提案した。更に円環上を運動するソリトンの角運動量の検出にも適用可能であることを示した。
2) ナノ粒子の重心運動の冷却法の一つとして確立されつつあるパラメトリックフィードバック冷却を改良することで、この手法の冷却原理限界を超えるため、まずは冷却原子気体の自由度を除いたナノ粒子のみの冷却シミュレーションを行った。ナノ粒子を捕捉するパラメトリック変調の位相を適切に調整することにより、基底状態近傍まで指数関数的に冷却が行われることが確認できた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
研究計画は(i) 原子間相互作用を厳密に考慮したBECのオプトメカニクス、(ii) 共振器光を介してグローバルに結合した多振動子集団、 (iii) 冷却原子とナノ粒子の混合系の3課題からなる。各々の進捗と当初計画からの変更は以下の通りである:
(i) 2023年度までに原子間相互作用を含めたBEC-共振器系の時間発展を扱う様々な描像での定式化を行った。これにより、各種相互作用を含む結合系のダイナミクスを解析できるようになり、すべての描像でBECの運動状態を共振器光のパワースペクトル密度を通して調べることが可能となった。
(ii) 複数の振動子が共振器光子と結合することで、振動子間にはグローバルな非線形結合が生じ、複数振動子間の同期現象などの集団運動が生じることが予測される。当初計画では振動子としてナノ粒子を想定し、複数ナノ粒子の非線形ダイナミクスを解析する予定であったが、2021年度中に競合する類似研究が発表され始めたことから、本研究ではナノ粒子を原子気体の集団運動に変更した。(i) の定式化に基づき、現在二成分BEC系の超流動引き込みを解析中である。
(iii) 研究開始当時はナノ粒子と冷却原子の混合系は共振器に捕捉することを想定していたが、関連実験の近年の進捗や本研究の実験検証可能性を考慮して、共振器を用いない系に変更した。
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| 今後の研究の推進方策 |
研究最終年度は引き続き次の3課題に取り組む。
(i) 原子間相互作用を厳密に考慮したBECのオプトメカニクス：駆動された共振器ラゲール・ガウス光と円環上の原子気体超流動流が結合するオプトメカニクス系における非平衡ダイナミクスを明らかにする。
(ii) 共振器光を介してグローバルに結合した多原子集団：共振器中にトラップされたBECの非線形効果を解析する。共振器光と原子の相互作用、原子間相互作用、および駆動光の強度のパラメータとして、二成分BEC超流動流の引き込みを解析し、その検出法を明らかにする。
(iii) 原子とナノ粒子の共存系：2021年度明らかにしたナノ粒子による冷却原子散乱の知見に基づき、原子とナノ粒子の混在系における様々な結合領域におけるダイナミクス解析する。光を介したナノ粒子の量子状態測定という従来のオプトメカニカルセンシングとは異なる、原子を介したナノ粒子の量子状態の精密測定法の可能性を開拓する。
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