ポジトロニウムのレーザー冷却実現のための高速周波数シフト紫外パルスレーザーの開発

• 研究課題/領域番号: 21K13862
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分13020:半導体、光物性および原子物理関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 周 健治 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (70881233)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2022年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2021年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
• キーワード: 反粒子 / ポジトロニウム / レーザー冷却 / レーザー / 光周波数変調 / 量子電磁力学 / 対称性 / 反物質 / オプティクス / 分光 / 冷却原子 / 電気光学変調器 / 光エレクトロニクス

研究開始時の研究の概要

電子とその反粒子である陽電子からなるポジトロニウム（positronium, Ps）原子のレーザー冷却のために、光周波数が高速にシフトする特殊な紫外パルスレーザー光源を実現する。レーザー共振器内の精緻な分散制御方法と、電気光学変調器の高効率駆動方式の研究により、従来の20倍高速な1 GHz/nsの光周波数シフトレートを初めて実現することで、Psの軽質量性に起因する超広帯域なDoppler広がりから生じるレーザー冷却の困難を克服する。本光源により、従来のPsの低温限界を1桁以上上回る10K以下までの冷却への道が拓け、精密測定による標準理論の検証や、宇宙から反物質が消えた謎の解明などが期待できる。

研究成果の概要

最も精密な物理理論のひとつである量子電磁力学の検証と、宇宙から反物質が消えた謎の解明をすべく、電子とその反粒子である陽電子とが束縛してできた原子―ポジトロニウム（Ps）―を冷却可能なレーザーを開発した。Psは水素原子の約1000分の1しかない低質量性と、100ns程度の短い寿命を有するため、レーザー光の周波数・時間両領域における特性を従来にない方法で制御することが必要だが、本研究では光周波数変調技術の深化によりこれを解決した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究の成果により、Psを1K以下の極低温へ冷却することが可能となり、Psの高い温度が大きな不確かさを生んでいた分光測定の高精度化や、原子コヒーレンスが向上することでPs干渉計の実現への応用が拓ける。これにより、暗黒物質の存在をはじめとする現代物理学の問題の解決や、反粒子にまつわる謎の解明が期待される。両者とも、新現象の発見の傾向が見られるなど、国内外の機関において熱心に研究がなされており、本研究は高い注目を集めると考えられる。

研究成果

• [雑誌論文] Theoretical Analysis and Experimental Demonstration of a Chirped Pulse-Train Generator and its Potential for Efficient Cooling of Positronium (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamada K.、Tajima Y.、Murayoshi T.、Fan X.、Ishida A.、Namba T.、Asai S.、Kuwata-Gonokami M.、Chae E.、Shu K.、Yoshioka K.
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 16 号: 1
  • DOI: 10.1103/physrevapplied.16.014009
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] ポジトロニウム冷却のためのサブマイクロ秒紫外パルスレーザー光源の帯域増強 (2022)
  • 著者名/発表者名: 周 健治
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] ポジトロニウム冷却に最適化したサブマイクロ秒紫外パルスレーザー光源の帯域増強 (2022)
  • 著者名/発表者名: 周 健治
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] ポジトロニウム冷却のためのサブマイクロ秒紫外パルスレーザー光源の帯域増強 (2022)
  • 著者名/発表者名: 周 健治、田島 陽平、吉岡 孝高
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会（2022年）
• [学会発表] Experimental progress in physics of cold positronium (2021)
  • 著者名/発表者名: Kenji Shu, Y. Tajima, T. Kobayashi, R. Uozumi, E. Chae, K. Yoshioka, A. Ishida, T. Namba, S. Asai, M. Kuwata-Gonokami, N. Oshima, B.E. O’Rourke, K. Michishio, K. Ito, K. Kumagai, R. Suzuki, S. Fujino, T. Hyodo, I. Mochizuki, K. Wada and T. Kai
  • 学会等名: Fundamental Physics Using Atoms 2021
  • 国際学会
• [備考] 東京大学大学院工学系研究科附属光量子科学研究センター吉岡研究室ホームページ
  • URL: http://www.fs.t.u-tokyo.ac.jp/
• [備考] ICEPP-tabletop、ボース-アインシュタイン凝縮を目指したポジトロニウム冷却
  • URL: https://tabletop.icepp.s.u-tokyo.ac.jp/?page_id=110