| 研究課題/領域番号 |
17H02938
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| 研究機関 | 大阪市立大学 |
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研究代表者 |
井上 慎 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (10401150)
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| 研究分担者 |
竹内 宏光 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 講師 (10587760)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | ボース・アインシュタイン凝縮 / フェッシュバッハ共鳴 / 混合気体 / 量子渦 |
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| 研究実績の概要 |
平成30年度の最初の実験課題は、カリウム原子のボース・アインシュタイン凝縮体（BEC）の実現であった。前年度にルビジウム原子のボース・アインシュタイン凝縮体の生成には成功していた。従って、カリウム原子用の光源をさらに用意して、レーザー冷却を行い、磁気トラップ中にてルビジウム原子を冷媒に共同冷却を行うことで、6月に2原子種の同時縮退に成功した。原子数はそれぞれ約5×10＾4個程度で以降の実験には十分の大きさである。カリウム原子は同種原子間及びルビジウムとの異種原子間にフェッシュバッハ共鳴を持つため、これで相互作用を制御した実験を行えるようになった。続いての課題は、原子気体の磁気トラップから光トラップへの移行である。特に本研究では、通常の調和型のトラップではなく原子気体の密度が一様になる箱型のトラップ（Box trap）を使用する予定である。従って、調和型のトラップの導入と平行して、箱型のトラップの開発を行った。箱型トラップの形状は混合BECの相分離の様子や量子渦の直接観測を行う為に、水平方向はBECの回復長より十分大きな直径30um程度の円筒状で、鉛直方向は観測系の焦点のずれや渦の傾きを無視できるような強い閉じ込めの二次元円筒状に決定した。これは、鉛直方向から照射したリング型のビームと水平方向から照射した斜め光格子のビームの組み合わせで実現することができ、既にテスト系でそれぞれのビームの作成を確認している。
理論面では，離散的対称性の自発的破れによる非平衡過程において，システムサイズが十分大きい系では，ドメイン構造の特徴的なサイズよりも小さいドメインの内部構造は，そのドメインの面積，それを囲うドメイン壁，などの統計量に影響を及ぼさないことを理論的に明らかにした．2成分BECの場合，量子渦分布を考慮する必要があるが，その場合も内部構造は影響を及ぼさないことを明らかにした．
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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
実験面では、平成30年度中に達成したいとしていた、カリウム原子のボース・アインシュタイン凝縮体の作成と、箱型トラップの開発の2点はともに達成できた。実験を繰り返すとBEC中の原子数の変化が見られるが、光トラップへの移行のタイミングを工夫することでこのふらつきを解消できる予定である。箱型トラップの生成については、まずトラップ光の波長を755nmに決定した。波長の選定には、半導体レーザーが使用可能な波長域であること、実験装置のガラスセルの透過波長域であることを考慮した。光散乱レートが気になるが、数秒程度の実験には支障がないことを確認した。トラップ光の形状の作成には当初デジタル・マルチミラーデバイス（DMD）の使用を試みたが、光の利用効率が悪く（～数％程度）、十分な斥力ポテンシャルが得られないことが分かった。従って、水平面内の閉じ込めにはアキシコンレンズを用いて作成したリング状のビーム、鉛直方向の閉じ込めには斜め光格子（格子間隔～20um）を用いることとした。テスト系で一様なトラップの生成を確認した。光源は外部共振器半導体レーザーとテーパー型増幅器を用いた。
理論面では、原子間相互作用を変調させることで実現する冷却フェルミ原子気体超流体のBECーBCSクロスオーバーにおいて，ダークソリトンの動的不安定性のダイナミクスが劇的に変化することを有効場理論に基づいて理論・数値的に予言した。BECではこの不安定性は「スネーク不安定性」としてよく知られており，不安定化に伴いソリトンが蛇のように曲がりくねった後に量子渦が生成される．しかし，BCS側ではソリトンは曲がりくねることなくジョセフソン流が成長することで直接的に量子渦が形成される．この結果を受けて，BCS側でのダークソリトンの不安定性を「ジョセフソン不安定性」と名付けた．以上の成果は既に論文として学術誌に投稿済みである．
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| 今後の研究の推進方策 |
実験面では、光トラップ中のカリウム原子を用いて、相互作用変調を用いた種々の実験の実現可能性について検証する。例えば相互作用を散乱長０付近で時間的に変調することで「BEC液滴」が生成されることが期待されるが、その際の原子数ロス等を評価する。問題がなければ、液滴の観測を実際に試みる。最終的には液滴の非破壊観測を行いそのダイナミクスの観測を行う予定であるが、まずは飛行時間法により自由空間で観測を行う。平行して箱型トラップの実装を行う。形状生成はテスト系で既に確認ずみなので、まず原子を捕獲するのに十分な出力の光源を用意する。また、斜め光格子については、光学系の熱化による干渉縞のドリフトが観測されているので長時間の実験に支障のないように圧電素子を用いた干渉縞のロックシステムの実装を行う。箱型トラップを用いることでより実験結果を理解しやすくなることが期待できる。
理論面では、相互作用変調に関してはBECだけでなく，BCS-BECクロスオーバーも考慮してさらに研究を進める。．
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