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ナノファイバーによる原子と光子の操作について、磁気光学トラップ(MOT)中で約200μKの極低温にレーザー冷却したセシウム原子を用いて、実験及び理論の両面から研究を行った。
実験面では、直径400nmのナノファイバーを単一モード光ファイバーの加熱延伸により作成する方法を確立した。また、冷却セシウム原子をナノファイバーと重ね、蛍光を単一光子計測で観測する手法を確立した。また、励起スペクトルから、ナノファイバー近傍の原子がvan dewr Waals(vdW)相互作用により原子とナノファイバーからなる分子のように振る舞うことが示され、光会合遷移や分子遷移が明瞭に観測できた。この結果は本プロジェクトにとっては副産物ではあるが、原子と表面の相互作用を原子のレーザー分光の精度で精密に研究する手法を開拓したことにな.る。
一方、原子と光子の操作と制御の意味では原子をナノファイバー表面近傍(100nm以内)にトラップすることが肝要である。本年度において、ナノファイバーと重ねたMOT中の原子集団を紫外線レーザー照射することによりナノファイバー表面近傍に原子のナノトラップが作成できることを見出した。また、予備実験によりナノトラップは単一原子トラップとして機能することを示した。また、複数のナノトラップを用いることにより原子間の量子もつれも制御できる。この結果は、ナノファイバーの方法が、マイクロ光共振器や双極子原子トラップと比肩する量子光学の新しい方法になりえることを示すものである。
理論面では、vdWポテンシャル中での原子スペクトルの振る舞いや自然放出の変化を定式化した。また、ナノファイバーは室温であるので、極低温原子系へのナノファイバー表面の熱振動(フォノン)の影響は重要であり、フォノンとナノファイバー近傍の原子の相互作用を定式化した。
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