| 研究課題/領域番号 |
18H05228
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
高橋 義朗 京都大学, 理学研究科, 教授 (40226907)
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| 研究分担者 |
高須 洋介 京都大学, 理学研究科, 准教授 (50456844)
段下 一平 近畿大学, 理工学部, 准教授 (90586950)
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| 研究期間 (年度) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| キーワード | 量子エレクトロニクス / 冷却原子 / 量子シミュレーション / 光格子 |
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| 研究実績の概要 |
光格子中に導入された極低温原子気体を用いて、特に、非標準的な光格子をデザインすることによって初めて可能となる特異な多重軌道の自由度と、2電子系原子のみが特別に有する高スピン対称性SU(N)に着目し、その二つの自由度が織りなすユニークな新量子物性を開拓することを目的とする。
この研究目的に向けて、1)すでに実験的な観測に成功した局在不純物スピンによる量子スピン輸送の研究について、新たに準安定状態に局在した不純物スピンの振舞いを直接観測することに成功した。また、大きな質量比を持つ原子混合系の研究においてYb,Er,Liの3種類の超低温混合原子系を実現し、特に、Yb原子との共同冷却によりErのボース・アインシュタイン凝縮を生成することに成功した。2）SU(N)スピン系１次元等方光格子における最低温度をポメランチュク冷却効果により実現した結果をさらに発展させて、スピンインバランスを導入した系についてもスピン相関を系統的に観測することに成功した。また、昨年度においてその基本的な振る舞いの観測に成功した、散逸によって駆動された負温度量子磁性について、特にスピン・チャージ分離を制御しながら系統的な測定を行い学術論文としてほぼまとめることができた。3)これまでに見出したYb原子リドベルク高軌道励起を、光ピンセットアレー中の単一Yb原子に対して、新しく準安定状態を経由したロスを極小にした方法での励起に成功した。
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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
まず、1) 局在・非局在混合軌道系による局在不純物の物理の解明として、すでに実験的な観測に成功した局在不純物スピンによる量子スピン輸送の研究について、新たに準安定状態に局在した不純物スピンの振舞いを直接観測することに成功した。これは、アンダーソン直交性崩壊の研究につなげる大きな進展である。また、大きな質量比を持つ原子混合系の研究においてYb,Er,Liの3種類の超低温混合原子系を実現し、特に、Yb原子との共同冷却によりErのボース・アインシュタイン凝縮を生成することに成功した。これは、軽いLi原子を介したp－波超流動実現に向けた重要な一歩である。2)巨大スピンのSU(N)量子磁性の物理の解明として、SU(N)スピン系１次元等方光格子における最低温度をポメランチュク冷却効果により実現した結果をさらに発展させて、スピンインバランスを導入した系についてもスピン相関を系統的に観測することに成功した。また、その基本的な振る舞いの観測に成功した、散逸によって駆動された負温度量子磁性について、特にスピン・チャージ分離を制御しながら系統的な測定を行い、理論研究者と議論を行い、学術論文としてほぼまとめることができた。3)ユニークな軌道自由度を駆使した新しい可能性の追求として、これまでに見出したYb原子リドベルク高軌道励起を、光ピンセットアレー中の単一Yb原子に対して、新しく準安定状態を経由したロスを極小にした方法での励起に成功した。これは新奇な量子シミュレーターへの応用として重要な一歩である。
さらに、研究分担者の段下氏は、スピン自由度に由来する興味深い現象として、斥力相互作用のみを持つ光格子中の擬スピン1/2のボース気体が新たな機構で量子液的状態を形成することを明らかにした。また、軌道自由度を活かした新奇現象を開拓する舞台として、軌道間のラビ結合を有するスピン偏極したハバード模型を提案した。
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| 今後の研究の推進方策 |
最終年度の今年度は、以下について集中的に研究を進める。まず、３次元のSU(N)量子磁性について、長距離の磁性相関を直接観測する新たな手法を考案し、実験で確認する。また、２次元１層の系については、スピン分解量子気体顕微鏡の技術を高度化し、長距離相関の直接観測を試みる。また、準安定状態と基底状態の混合次元系を用いて、ルーダーマン・キッテル・粕谷・吉田相互作用の直接観測を試みる。また、基底状態と準安定状態の間の超狭線幅遷移を用いて、量子シミュレーターの高分解能化を図る。Er、Li,Yb原子混合系では、さらなる量子気体の生成を試みると同時に、フェルミ粒子系のフェッシュバッハ共鳴探索を行う。さらに、光トラップアレーの実験において、空間光変調器を用いて光トラップサイト数を大幅に向上させ、その系を用いて量子シミュレーションを実行する。
本研究において研究目的に掲げたテーマは、理論的研究による検討・評価が極めて重要であるため、研究分担者の、理論研究者である段下氏らと密接なる議論を行いながら進める。
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| 備考 |
２次元での量子シミュレーションの性能を検証する新手法を確立～量子シミュレーターの開発に貢献する研究成果～ https://newscast.jp/news/6201240
超低温の原子の気体が液滴となる新たな形成機構を解明 気体と液体の両方の特徴をもつ、物質の新しい状態 https://newscast.jp/news/1705688
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