| 研究課題/領域番号 |
18K03455
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
戸塚 圭介 京都大学, 基礎物理学研究所, 准教授 (80291079)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 対称性に護られたトポロジカル相 / 冷却原子気体 / 分数量子ホール効果 / 量子細線 / coupled-wire構成法 |
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| 研究実績の概要 |
課題のひとつの柱である、優れた制御性を持つアルカリ土類冷却原子気体を用いた強相関系における「対称性に護られたトポロジカル相 (SPT相)」の研究から派生して、より簡単な構造を持つSU(N)対称性を持つスピン模型に関する研究をフランスのグループと共同で行った。これは、二重井戸型光格子に閉じ込められたアルカリ土類様原子気体(フェルミオン)の有効模型とも考えられるが、元の系に比べて自由度が少ないぶん、各相の性質や量子相転移についてより定量的かつ詳細な解析が可能である。この系について、場の理論などの解析計算、数値計算を適用し、相図を完成し、自発的に反転対称性を破るSPT相など、さまざまなSPT相が現れる相構造を明らかにした。また、近年のフェルミオン系におけるトポロジカル相の実現においてはスピン軌道相互作用が重要な役割を果たしているが、ベングリオン大のAvishai氏、東大の永長氏と共同で、スピン軌道相互作用由来の非可換ゲージ場が電子系にもたらす影響について調べ、輸送特性が非可換ゲージ場の経路積分により定義される非可換位相因子に普遍的な依存性を示すことが明らかになった。二次元、三次元の強相関トポロジカル相を、一次元鎖とその間の相互作用をコントロールすることにより望みのトポロジカル相を構成するという方法(coupled-wire構成法)において、(2+1)次元のバルクにLaughlin波動関数で記述される非自明な状態や、トポロジカルなゲージ理論が創発されるメカニズムを明らかにしたが、このアプローチを３次元系についても拡張することを試みた。また、フランスSaclay研究所のJplicoeur氏と、二層量子ホール系における量子相転移をcoupled-wire構成法を用いて記述する研究を行った。
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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
冷却原子やSU(N)トポロジカル相のテーマに関連して、相図などの結果をまとめた論文をPhysical Review B(2020)に出版した。また、幸い同様の系を用いた実験が京大物理教室で進行中であるので、情報交換を行うことにより実験のセットアップに即した状況での相図などを作成するプロジェクトも進行中である。 高次元トポロジカル状態のcoupled-wire構成法については、可換なゲージ群の構造を持つ2次元トポロジカル相の場合の結果をまとめた論文をPhysical Review Bに出版し、現在3次元系への拡張についての研究、および実際にさまざまな実験結果が蓄積中である二層量子ホール系への応用についての研究が進行中であり、既に基本的な部分の問題についてはクリアできている。
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| 今後の研究の推進方策 |
アルカリ土類様冷却フェルミ原子気体のボゾン的トポロジカル相については、理論的にはだいぶ状況が明らかになってきており、実験的にもトポロジカル相の観測で重要な役割を果たすと思われるSU(N)量子気体顕微鏡などの技術の整備も進んでいるので、今後の展開としては、2つの方向を考えている。ひとつは、実験グループと連携しながら、これらのトポロジカル相の実験的検証を睨んだ研究、たとえば、実験のセットアップに近い状況での相図の作成、物理量の計算などである。もうひとつは、電子スピンではなく、核スピン由来のSU(N)対称性を持つフェルミオン的なトポロジカル相の研究である。これにより、冷却原子系のトポロジカル相について、より包括的な理解が進むと思われる。 coupled-wire構成法などに基づく強相関トポロジカル相の研究では、昨年度確立した2次元トポロジカル相のバルクの物理を抽出する手法の3次元への拡張を完成させる。また、従来よく知られてきたChern-Simons型のゲージ理論とは異なるゲージ理論に支配されるフラクトン・トポロジカル相などの場合にも同様のアプローチが可能か調べたい。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
新型コロナウィルス感染症の流行により、予定していた外国出張２件がキャンセルになったため。
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