極低温原子で紐解く階層横断エキゾチック物性現象

2022 年度 実績報告書

• 研究領域: 量子クラスターで読み解く物質の階層構造
• 研究課題/領域番号: 18H05405
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 高橋 義朗 京都大学, 理学研究科, 教授 (40226907)
• 研究分担者: 西田 祐介 東京工業大学, 理学院, 准教授 (80704288)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2023-03-31
• 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

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。
この研究目的に向けて、まず、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超低温混合気体を用いた方式を確立した。その結果、極めてユニークな、磁性原子エルビウムと非磁性原子イッテルビウムのボース凝縮混合系を生成することに世界で始めて成功し、今後の様々な可能性を広げた。また、リチウムおよびエルビウム原子の超低温フェルミ・フェルミ混合系を実現し、その原子間のフェッシュバッハ共鳴を多数観測することに成功し、エフィモフ３体状態の生成を示唆する重要な結果を得ることができた。さらに、光格子中の原子の3体力についても、イッテルビウム原子の準安定状態と基底状態の間のフェッシュバッハ共鳴を用いた占有数分解超高分解能レーザー分光実験を遂行し、藤田・宮沢型とみなせる摂動領域から非摂動領域にわたる広範な相互作用領域で、３体力のエネルギーを実験的に決定することに成功し、それを閉じ込めポテンシャル中の３体系の理論計算で、相互作用が比較的弱い領域について定量的に説明することに成功するとともに、相互作用の強い領域で、実験結果をよく説明する外挿曲線を見出し、今後の理論計算のベンチマークとすることができた。
また、擬1次元に閉じ込められた弱く相互作用するボース気体において、熱伝導率が2体相互作用でなく有効的な3体相互作用によって決まることを示し、その温度依存性を定量的に評価した。

現在までの達成度 (段落)

令和4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4年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] Rice University/University of California/Harvard University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Rice University/University of California/Harvard University
• [国際共同研究] Fudan University(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: Fudan University
• [国際共同研究] University of Toronto(カナダ)
  • 国名: カナダ
  • 外国機関名: University of Toronto
• [国際共同研究] Ludwig-Maximilians-Universitat Munchen(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Ludwig-Maximilians-Universitat Munchen
• [雑誌論文] Observation of Feshbach resonances in an 167Er-6Li Fermi-Fermi mixture (2023)
  • 著者名/発表者名: Florian Schaefer, Yuki Haruna, Yoshiro Takahashi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan (JPSJ) 巻: 92, 5 ページ: 054301:1-4
  • DOI: 10.7566/JPSJ.92.054301
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Observation of an Inner-Shell Orbital Clock Transition in Neutral Ytterbium Atoms (2023)
  • 著者名/発表者名: Taiki Ishiyama, Koki Ono, Tetsushi Takano, Ayaki Sunaga, and Yoshiro Takahashi
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 130, 15 ページ: 153402:1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.153402
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Realization of a quantum degenerate mixture of highly-magnetic and nonmagnetic atoms (2023)
  • 著者名/発表者名: F. Schaefer, Y. Haruna, and Y. Takahashi
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 107 ページ: L031306:1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.107.L031306
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Chiral Light Amplifier with Pumped Weyl Semimetals (2023)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nishida
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 130,9 ページ: 096903:1-5
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.096903
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of the Sign Reversal of the Magnetic Correlation in a Driven-Dissipative Fermi Gas in Double Wells (2023)
  • 著者名/発表者名: Kantaro Honda, Shintaro Taie, Yosuke Takasu, Naoki Nishizawa, Masaya Nakagawa, and Yoshiro Takahashi
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 130, 6 ページ: 063001:1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.063001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Dynamical chiral magnetic current and instability in Weyl semimetals (2023)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Amitani and Yusuke Nishida
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 107,1 ページ: 014302:1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.107.014302
  • 査読あり
• [雑誌論文] Viscous Drude weight of dual Bose and Fermi gases in one dimension (2022)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nishida
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 106,6 ページ: 063317:1-8
  • DOI: 10.1103/PhysRevA.106.063317
  • 査読あり
• [雑誌論文] Thermal conductivity of a weakly interacting Bose gas in quasi-one-dimension (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Tanaka and Yusuke Nishida
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 106,6 ページ: 064104:1-11
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.106.064104
  • 査読あり
• [雑誌論文] Torsion-induced chiral magnetic current in equilibrium (2022)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Amitani, Yusuke Nishida
  • 雑誌名: Annals of Physics 巻: 448 ページ: 169181:1-12
  • DOI: 10.1016/j.aop.2022.169181
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bulk Viscosity of Dual Bose and Fermi Gases in One Dimension (2022)
  • 著者名/発表者名: Tomohiro Tanaka and Yusuke Nishida
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 129,20 ページ: 200402:1-6
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.200402
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of antiferromagnetic correlations in an ultracold SU(N) Hubbard model (2022)
  • 著者名/発表者名: Shintaro Taie, Eduardo Ibarra-Garcia-Padilla, Naoki Nishizawa, Yosuke Takasu, Yoshihito Kuno, Hao-Tian Wei, Richard T. Scalettar, Kaden R. A. Hazzard and Yoshiro Takahashi
  • 雑誌名: Nature Physics 巻: 18 ページ: 1356-1361
  • DOI: 10.1038/s41567-022-01725-6
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] High-resolution Spectroscopy and Single-photon Rydberg Excitation of Reconfigurable Ytterbium Atom Tweezer Arrays Utilizing a Metastable State (2022)
  • 著者名/発表者名: Daichi Okuno, Yuma Nakamura, Toshi Kusano, Yosuke Takasu, Nobuyuki Takei, Hideki Konishi, and Yoshiro Takahashi
  • 雑誌名: Journal of the Physical Society of Japan (JPSJ) 巻: 91, 8 ページ: 084301: 1-8
  • DOI: 10.7566/JPSJ.91.084301
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 同位体シフトによる新物理探索――精密分光で迫る基本法則 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中 実, 小野 滉貴, 山本 康裕, 高橋 義朗
  • 雑誌名: 日本物理学会誌 巻: 77, 6 ページ: 355-360
  • DOI: 10.11316/butsuri.77.6_355
  • 査読あり
• [雑誌論文] Observation of Nonlinearity of Generalized King Plot in the Search for New Boson (2022)
  • 著者名/発表者名: Koki Ono, Yugo Saito, Taiki Ishiyama, Toshiya Higomoto, Tetsushi Takano, Yosuke Takasu, Yasuhiro Yamamoto, Minoru Tanaka, and Yoshiro Takahashi
  • 雑誌名: Physical Review X 巻: 12, 2 ページ: 021033 : 1-17
  • DOI: 10.1103/PhysRevX.12.021033
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantum simulation of quantum many-body systems with ultracold two-electron atoms in an optical lattice (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshiro TAKAHASHI
  • 雑誌名: Proceedings of the Japan Academy, Series B 巻: 98, 4 ページ: 141-160
  • DOI: 10.2183/pjab.98.010
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] イッテルビウム原子の新時計遷移の実験的観測に向けた検討 (2023)
  • 著者名/発表者名: 石山泰樹, 小野滉貴, 高野哲至, 砂賀彩光, 高橋義朗
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
• [学会発表] 空間光変調器を用いた単一Yb原子の光ピンセットアレイトラップ (2023)
  • 著者名/発表者名: 草野透志, 中村勇真, Christian Gnandt, 尾崎凌明, 奥野大地, 高須洋介, 小西秀樹, 高橋義朗
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
• [学会発表] 光格子中3粒子エネルギー準位の散乱長依存性 (2023)
  • 著者名/発表者名: 春名裕貴, 本多寛太郎, 高須洋介, 高橋義朗
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
• [学会発表] Relativistic calculations of enhancement factors for nuclear magnetic quadrupole moment in Yb atom (2023)
  • 著者名/発表者名: Ayaki Sunaga, Amar Vutha, Yuiki Takahashi, Yoshiro Takahashi
  • 学会等名: 日本物理学会 2023年春季大会
• [学会発表] Trapping Single Ytterbium Atoms in an Optical Tweezer Array Using a Spatial Light Modulator (2023)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakamura, T. Kusano, C. Gnandt, R. Osaki, Y. Takasu and Y. Takahashi
  • 学会等名: International Symposia on Creation of Advanced Photonic and Electronic Devices 2023 and Advanced Quantum Technology for Future 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum Simulation of Three-Body Forces in an Lattice Using Feshbach Resonance (2023)
  • 著者名/発表者名: K. Honda, Y. Haruna, Y. Takasu, and Y. Takahashi
  • 学会等名: International Symposia on Creation of Advanced Photonic and Electronic Devices 2023 and Advanced Quantum Technology for Future 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Precise Isotope Shift Measurement Toward New Physics Search (2023)
  • 著者名/発表者名: T. Ishiyarna, K. Ono, T. Takano, A. Sunaga, and Y. Takahashi
  • 学会等名: International Symposia on Creation of Advanced Photonic and Electronic Devices 2023 and Advanced Quantum Technology for Future 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Three-body force and beyond in one-dimensional cold atoms (2023)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nishida
  • 学会等名: 第８回クラスター階層領域研究会
• [学会発表] Prospects and experiments with Er Li large mass-imbalance mixtures (2023)
  • 著者名/発表者名: Florian Schaefer
  • 学会等名: 第８回クラスター階層領域研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Insights into new physics and nuclear physics from precise isotope shift measurements (2023)
  • 著者名/発表者名: Taiki Ishiyama
  • 学会等名: 第８回クラスター階層領域研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Quantum Simulation of Three-Body Forces in an Optical Lattice Using Feshbach Resonance (2023)
  • 著者名/発表者名: Kantaro Honda
  • 学会等名: 第８回クラスター階層領域研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Ultracold ytterbium atoms in an optical lattice - from dissipative Hubbard model to new physics search - (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshiro Takahashi
  • 学会等名: Workshop on Quantum Information Science with Cold Atoms
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ダークマター探索を目指した同位体シフトの相対論計算 (2022)
  • 著者名/発表者名: Ayaki Sunaga
  • 学会等名: The 14th International Workshop on Fundamental Physics Using Atoms (FPUA2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Charged analogs of the Efimov effect (2022)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nishida
  • 学会等名: International Symposium on Clustering as a Window on the Hierarchical Structure of Quantum Systems
  • 国際学会
• [学会発表] Ultracold atom study of exotic phenomena bridging different hierarchies (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshiro Takahashi
  • 学会等名: EMMI workshop: International symposium on Clustering as a Window on the Hierarchical Structure of Quantum Systems (CLUSHIQ2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Precise isotope shift measurements and implications for beyond-Standard-Model and Nuclear Physics (2022)
  • 著者名/発表者名: Taiki Ishiyama
  • 学会等名: EMMI workshop: International symposium on Clustering as a Window on the Hierarchical Structure of Quantum Systems (CLUSHIQ2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Three body force for atoms in an optical lattice (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuki Haruna
  • 学会等名: EMMI workshop: International symposium on Clustering as a Window on the Hierarchical Structure of Quantum Systems (CLUSHIQ2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Exploring ErLi Fermi-Fermi mixtures for novel Efimov states (2022)
  • 著者名/発表者名: Florian Schaefer
  • 学会等名: EMMI workshop: International symposium on Clustering as a Window on the Hierarchical Structure of Quantum Systems (CLUSHIQ2022)
  • 国際学会
• [学会発表] Systematic Measurement of Spin Correlations in the SU(N) Plaquette (2022)
  • 著者名/発表者名: 本多 寛太郎
  • 学会等名: 大学院教育支援機構奨励研究員及びフェローシップ受給者によるポスター発表会・研究交流会
• [学会発表] Novel tunable light sources for quantum sensors and simulators (2022)
  • 著者名/発表者名: T. Takano, H. Ogawa, W. Liu, C. Ohae, M. Katsuragawa, and Y. Takahashi
  • 学会等名: Quantum sensors and tests of new physics（qsnp2022）
  • 国際学会
• [学会発表] Observation of Nonlinearity of Generalized King Plot in the Search for New Boson (2022)
  • 著者名/発表者名: Koki Ono, Taiki Ishiyama, Tetsushi Takano, Ayaki Sunaga, Yosuke Takasu, Yasuhiro Yamamoto, Minoru Tanaka, and Yoshiro Takahashi
  • 学会等名: Quantum sensors and tests of new physics（qsnp2022）
  • 国際学会
• [学会発表] Precise isotope shift measurement toward new physics search (2022)
  • 著者名/発表者名: Taiki Ishiyama
  • 学会等名: International Seminar Dojo 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Systematic measurement of spin correlations in the SU(N) plaquette Fermi-Hubbard model (2022)
  • 著者名/発表者名: Kantaro Honda
  • 学会等名: International Seminar Dojo 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Internal state control of single ytterbium atoms in an optical tweezer array (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuma Nakamura
  • 学会等名: International Seminar Dojo 2022
  • 国際学会
• [学会発表] 冷却原子を用いた非平衡・非エルミート系の量子シミュレーション (2022)
  • 著者名/発表者名: 高須 洋介
  • 学会等名: 第4回 冷却原子研究会「アトムの会」
  • 招待講演
• [学会発表] Developing a 2D rearrangement program toward large defect-free optical tweezer arrays (2022)
  • 著者名/発表者名: 草野 透志
  • 学会等名: 第4回 冷却原子研究会「アトムの会」
• [学会発表] Nonrelativistic conformality and hydrodynamics (2022)
  • 著者名/発表者名: Yusuke Nishida
  • 学会等名: International Conference on Recent Progress in Many-Body Theories XXI
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] SU(N) plaquette Fermi-Hubbard modelにおけるスピン相関の系統的測定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 本多寛太郎、田家慎太郎、高須洋介、高橋義朗
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] Two-Orbital Quantum Gases of Ytterbium - Quantum Transport and Search for New Physics - (2022)
  • 著者名/発表者名: Koki Ono
  • 学会等名: The 15th Asia Pacific Physics Conference (APPC15)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 精密同位体シフト測定で探る新物理 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小野 滉貴
  • 学会等名: RCNP研究会 「中性子と原子で探る基礎物理」
  • 招待講演
• [学会発表] 冷却原子の高度制御に基づく革新的光格子量子シミュレーター開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 高橋 義朗
  • 学会等名: CREST「量子技術」公開シンポジウム
• [学会発表] Quantum simulation using two-electron atoms in an optical lattice and beyond (2022)
  • 著者名/発表者名: Yoshiro Takahashi
  • 学会等名: Ultracold Atoms Japan 2022
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 量子光学研究室HP
  • URL: http://yagura.scphys.kyoto-u.ac.jp/
• [備考] 新粒子探索のための量子センサー―原子スペクトルの精密分光から基礎物理法則に迫る―
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2022-05-12
• [備考] 新たな対称性を持つ反強磁性状態を実現―光格子による磁性の解明へ期待―
  • URL: https://www.kyoto-u.ac.jp/ja/research-news/2022-09-07-2