| 研究課題/領域番号 |
15H05461
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
宇佐見 康二 東京大学, 先端科学技術研究センター, 准教授 (90500116)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 量子インターフェイス / 強磁性体 |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は、冷却原子で実現された常磁性スピン集団やナノメカニクスと光やマイクロ波等の電磁波との相互作用の研究を有機的・建設的に融合し、磁気秩序を持った強磁性スピン系を用いてマイクロ波－光変換を実現することである。将来的には、この変換機構を希釈冷凍機内の極低温下で動作する超伝導量子ビットと通信波長帯の光との間の量子的なインタフェイスとして活用することを念頭に置いている。
強磁性体内に励起される強磁性静磁波モードと光とは、ファラデー効果を介したパラメトリック過程（スピンラマン過程）で非共鳴に結合させる。一方、マイクロ波とは、マイクロ波空洞共振器内の磁場の最大点に強磁性体を設置することで、磁気双極子相互作用により強磁性静磁波モードと共鳴的に結合する。
H27年度は、１）マイクロ波で励起した強磁性静磁波モードをファラデー効果を介して光のストークス/アンチストークス散乱光（サイドバンド光）に位相情報も含めてコヒーレントに変換できること、２）この逆過程、つまり、逆ファラデー効果を介して光で励起した強磁性体マグノンモードをマイクロ波共振器内のマイクロ波にコヒーレントに変換することに成功し、マイクロ波－光間の双方向の古典的な結合を実証できた。
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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
当初の目的であった強磁性静磁波モードによるマイクロ波－光間の双方向の古典的な結合を実証できたので、現在までの研究の進捗状況は順調であるといえる。ただし、マイクロ波ー光間の変換効率が非常に小さく、現状の実験系の延長線上では、量子の領域でのマイクロ波－光変換が実現できないことが明確になった。
ボトルネックとなっているのは、強磁性静磁波モードと光との間の結合が非常に弱い点である。現在、光共振器を導入して強磁性静磁波モードと光との間の結合の増強を試みている。また、これまで使用してきた強磁性体材料、イッテリウム鉄ガーネット(YIG)、に変えてより光と強く結合する強磁性材料として、エルビウム鉄ガーネット(ErIG)に着目し、その結晶合成、基礎物性の調査にも着手した。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後の研究の推進方策としては、量子の領域でのマイクロ波－光変換を実現するため、強磁性静磁波モードと光との間の結合を、様々なアプローチで増強することを試みる。
１つ目のアプローチは、光共振器を導入することである。特に、強磁性体自体が球形の絶縁体であることを利用し、その縁を全反射しながら周回するウィスパリング・ギャラリーモード型(WGM)光共振器に注目する。このWGM光共振器を利用すると強磁性静磁波モードと光との結合を共鳴的にできるので、その結合強度が３ケタ以上増強することが期待できる。
２つ目のアプローチは、これまで使用してきた強磁性体材料、イッテリウム鉄ガーネット(YIG)、ではなく、光と強く結合することが期待できるエルビウム鉄ガーネット(ErIG)を利用するスキームを開発することである。ErIGは、常温ではErスピンが常磁性的に振る舞い、静磁波モードにとって不純物スピンとなるため、実験はErスピンが強磁性的に振る舞うような低温環境下で実施する必要があり、低温磁気光学実験が可能な系の構築をする。
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