| 研究領域 | 量子クラスターで読み解く物質の階層構造 |
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| 研究課題/領域番号 |
18H05405
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
高橋 義朗 京都大学, 理学研究科, 教授 (40226907)
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| 研究分担者 |
西田 祐介 東京工業大学, 理学院, 准教授 (80704288)
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| 研究期間 (年度) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| キーワード | 冷却原子 / フェッシュバッハ共鳴 / エフィモフ3体 / エルビウム原子 / リチウム原子 |
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| 研究実績の概要 |
極めて高度なレベルに達している冷却原子系の制御技術のなかでも、特に、原子間の相互作用を磁場により任意かつ精密に実時間制御するフェッシュバッハ共鳴法により、様々な可能性が拓かれつつある。本研究では、冷却原子系として極めて大きな質量比を有するエルビウムとイッテルビウム、およびリチウムの超低温原子混合系を実験的に生成し、その特異な性質を実験的に解明することにより、クラスター階層の物理の理解を深化させることを目標とする。特に、まず、重原子と軽原子間の相互作用を磁場により制御するフェッシュバッハ共鳴法を開発し、次に、「普遍的なクラスター状態」としてのエフィモフ3量体を観測しエネルギー構造の解明を行う。これらにより、階層をつなぐ共通物理現象の理解を深めることに貢献する。
この研究目的に向けて、まず、昨年度までに開発した、重いエルビウム原子と軽いリチウム原子、さらにイッテルビウム原子の量子気体混合系の生成用に特化してデザインおよび作成した、ハイブリッド型オーブンの性能を評価し、これも昨年度までに準備した冷却用の光源を全て利用することで、エルビウム原子、リチウム原子、そしてイッテルビウム原子の混合気体の冷却実験を進めた。その結果、まず、上記のレーザー冷却により、数100 nKまでの超低温の、上記3種類の混合気体を準備することに成功し、これを用いて、印加する磁場を掃引しながら、リチウムおよびエルビウム原子のロスを測定することにより、複数の狭いフェッシュバッハ共鳴および太いフェッシュバッハ共鳴を、166Er-7Liおよび168Er-7Liの両方の組み合わせで、かつ7Liの複数の磁気副順位に関して発見することに成功した。そして、この実験データを、ポーランドの理論共同研究者とともに解析を開始した。また、光格子中の原子の3体力についても実験を行い、有効3体力の理論で説明できることを確認した。
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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
本研究の目的である、階層を横断したエキゾチックな物性現象の解明に向けて、極低温原子集団、特に、巨大な質量比のエルビウムとイッテルビウム、およびリチウムの超低温原子混合系を実験対象として研究を推進した。まず、昨年度までに開発した、重いエルビウム原子と軽いリチウム原子、さらにイッテルビウム原子の量子気体混合系の生成用に特化してデザインおよび作成した、ハイブリッド型オーブンの性能を評価し十分な性能を示すことを確認し、さらに、これも昨年度までに準備した、エルビウム原子冷却用の光源を用いて、エルビウム原子の冷却実験を進め、今年度は、本研究の最も重要な課題である、エルビウム原子とリチウム原子の間のフェッシュバッハ共鳴を、複数のエルビウム原子同位体について複数観測することに成功した。また、リチウム原子についても複数の磁気副準位について系統的に測定を行い、複数の共鳴を観測することに成功した。
本研究において研究目的に掲げたテーマは、理論的研究による検討・評価が極めて重要であるため、本新学術領域の理研パスカルネドン氏、および領域外のポーランドの理論共同研究者であるズチョフスキー氏、近畿大の段下氏と密接なる議論を行いながら進めた。さらに、原子核で議論されている3体力と同等な力が光格子中の原子に働いている可能性について、領域外の複数の研究者による講演会を定期的に開催し、その理解を深める同時に実験を行い、有効3体力の理論で説明できることを確認した。
さらに、原子核との関連する、冷却原子気体のスピン自由度を利用した量子輸送について理論研究を行い、 一般のスピン数の場合に多端子系が実現できることを示し、 粒子間相互作用の効果を明らかにした。
このように、大きく研究を前進させる成果を得ることができた。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は、以下について集中的に研究を進める。
本研究の目的である、階層を横断したエキゾチックな物性現象の解明に向けて、極低温原子集団、特に、巨大な質量比のエルビウムとイッテルビウム、およびリチウムの超低温原子混合系を実験対象として引き続き研究を推進する。まず、昨年度までにおいて開発した、重いエルビウム原子と軽いリチウム原子、さらに重いイッテルビウム原子の量子気体3種混合系の生成用のハイブリッド型オーブンを用いて、より低温・高密度の3種類の混合気体の生成を目指す。そして、これまでに観測されているフェッシュバッハ共鳴を理論研究者と協同でその起源を明らかにする。それを経て、観測されたフェッシュバッハ共鳴のうち、比較的広い共鳴幅を有するものを選択し、それを理論による予言に基づく散乱長の変化と照合する。これを踏まえて、原子ロスの振舞いの磁場依存性を精密に測定し、質量比の大きなエフィモフ3量体の同定につなげる。また、エルビウム原子のボース・アインシュタイン凝縮やフェルミ縮退をめざす。さらに、光格子へ混合系を導入することにより、エフィモフ3量体の次元性に対する効果を実験的に明らかにし、理論的予言と比較する。
本研究において研究目的に掲げたテーマは、理論的研究による検討・評価が極めて重要であるため、新たに研究分担者として加わった、理論研究者である東工大西田氏らと密接なる議論を行いながら進める。
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