| 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 |
18H05406
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| 研究機関 | 大阪市立大学 |
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研究代表者 |
堀越 宗一 大阪市立大学, 南部陽一郎物理学研究所, 特任准教授 (00581787)
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| 研究分担者 |
大橋 洋士 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (60272134)
飯田 圭 高知大学, 教育研究部自然科学系理工学部門, 教授 (90432814)
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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 | 冷却原子実験 / 凝縮系物理学 / 原子核物理学 / 量子多体系 / 強相関フェルミ粒子系 / 非平衡物理学 / 量子流体 / 量子シミュレーション |
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| 研究実績の概要 |
吸収分光法によるフェッシュバッハ(FB)分子の光学応答の研究が大きく進展した。リチウム6原子の異なる3つのフェッシュバッハ共鳴を用いることで、2原子が非束縛状態からFB分子状態に変化する過程で如何に光学応答が変化するのか系統的に実験を行った。本実験により、FB分子のサイズに依存し、光学応答が孤立原子の理想的な吸収スペクトルから分子的な吸収スペクトルに徐々に変化していく様子を世界で初めて捉えた。この実験結果は物質階層を横断して存在する、大きな散乱長で弱く束縛している特異な分子状態の光学応答や、それらから成る量子多体系の理解に向けた大きな一歩となる。
冷却フェルミ原子気体のBCS-BECクロスオーバー領域におけるずり粘性率を理論的に研究し、この領域で重要となる対形成揺らぎの効果を自己無撞着T行列理論で考慮することで、この輸送係数とエントロピー密度の比に下限値が存在するとするKSS予想を検証した。従来の予想とは異なり、下限値はユニタリ極限ではなく、それより少し強結合側で実現することや、その値がKSS予想の約4,5倍であること、この下限値が質量インバランス系においても普遍的に得られることを明らかにした。
重い星の重力崩壊の結果生じる超新星コアや、それが冷えてできる中性子星の内部においては、多彩な物性を示す高密度フェルミ物質が存在する。特に対相関は重要であり、クーパー対の凝縮がもたらす超流動、粒子ホール対の凝縮がもたらす密度波状態はその典型例である。これらの相関を解明するにあたり、冷却フェルミ原子気体が類似した性質を持つことに着目することは有益である。今年度は、これらの物質を不純物を通じて探るべく、中性子物質中のα粒子の性質、天体プラズマ中のホイル状態の性質、双極子相互作用する冷却フェルミ原子気体中のポーラロンの性質、冷却フェルミ原子気体中のポーラロン多体系の衝突を理論的に調べた。
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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
研究計画調書では2019年度末までに、冷却原子実験でユニタリー極限における体積粘性率の測定、s波散乱長依存の状態方程式の測定、4次ビリアル係数測定の予備実験に取り組み、理論研究でs波散乱長依存の状態方程式、核物質中のα粒子、ポーラロン問題に取り込む計画を立てた。
理論研究は計画通り遂行し、さらに期待以上の成果として「BCS-BECクロスオーバー領域におけるずり粘性率を理論的に研究より、この輸送係数とエントロピー密度の比に下限値が存在するとするKovtun-Son-Starinets (KSS)予想を検証した。」この成果は冷却原子系のみならず、粒子階層をまたぐ普遍的な基礎物理として極めて重要な知見が得られた。
実験を担当している堀越の異動により、東京大学から大阪市立大学へ実験室の引越し作業を行った。そのため冷却原子実験装置を一旦解体する必要があり、従来の計画を変更した。昨年度にユニタリー極限における体積粘性率の測定の予備実験が終わり、本データを取得する予定であったが、国際会議での報告時に重要な指摘を受け、そのために新たな実験システムの導入が必要になった。必要な物品は納品されたが、再実験は実験室の引っ越し後に計画を変更した。実験室の引っ越しまでの期間を用いて、フェッシュバッハ(FB)分子の分光実験を遂行した。この実験はs波散乱長依存の状態方程式と、4次のビリアル係数を定量的に測定するために必須であり、またFB分子の光学応答そのものが非自明であるためである。実験結果により予想以上の分光結果が得られ、核子系やハドロン系においても共通の物理が存在することが明らかになり始めた。また、この分光結果は孤立粒子が複合粒子になる過程を検波しており、最終年度に予定していた分子度の測定とも関連がある可能性ある。
以上、総合的に評価すると「おおむね順調に進展している」が妥当であると考えられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
実験室の引っ越しが2月中旬に済み、冷却原子実験装置の復帰を進めている。既に真空チャンバーが組み立てられ、現在超高真空を実現するためにベーキング作業を行っている。レーザー光源や制御システム等、全てが復帰し実験を再開する見込みは2020年9月頃と見込んでいる。
実験装置の復帰作業と並行し、2019年度に収集したフェッシュバッハ分子の吸収分光データを学術論文にまとめ発表する。本実験データは本新学術領域研究の目的の一つである、粒子階層間をつなげる量子クラスターの「粒子性」または「複合粒子性」の度合いに、何らかの指標を与えられる可能性がある。さらに原子核のダイポール励起とも関連することが最近の議論で明らかになりつつあり、今後も議論を続け異なる研究班との連携を強化し共著論文を目指す。また得られた分光データを再現できる理論計算が現段階で存在しない。本データ及びそれを説明できる理論は分子物理学にも波及効果を持つため、引き続き理論研究と協力しながら進める。
装置の復帰後、予備実験が済んでいるユニタリーフェルミ気体の体積粘性率の測定を行い、学術論文にまとめる。予備実験の段階では高い周波数(～10kHz)まで散乱長を変調することができなかったが、専用電源を調達済みのため可能になる。それにより周波数依存の体積粘性率の測定が可能になり、現在理論研究で議論になっているダイナミカル体積粘性率の測定が可能になる。これは当初の期待以上の成果につながる。
体積粘性率の測定後、s波散乱長依存の状態方程式と、4次のビリアル係数の測定に移る。こちらも予備実験や解析手法の開発が順調に進んでいる。特に散乱長の符号が正の領域では、フェッシュバッハ分子が3つ同時に相互作用した時に生じる新しい三体力の存在が理論研究によって示唆されている。圧縮率の測定によりこの新しい力の存在が検証できるため、本実験研究で検証する。
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