光学浮上鏡を用いた巨視的量子力学の検証

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 18K18763
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 道村 唯太 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (80747006)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2021-03-31
• キーワード: 光学浮上 / 光輻射圧 / 光共振器 / レーザー / 干渉計 / 巨視的量子力学 / 巨視的量子現象 / エンタングルメント

研究実績の概要

本研究ではプランク質量(約22 μg)を大幅に上回る1 mg鏡のエンタングルメントを実現することで、巨視的な世界においても量子力学は成立するのかという問いに実験的に迫る。そのために、光輻射圧のみを用いて鏡を光学浮上させる新提案の技術により鏡を環境から孤立させる。
鏡の光学浮上の提案はこれまでにいくつかの手法が提案されているが、これまで実現された例はない。光学浮上では鏡の全6自由度を光のみを用いてトラップする必要があるが、特に重要なのが鏡の水平方向の運動に対するトラップである。
2019年度は、浮上鏡に働く水平方向の復元力の測定に成功した。浮上鏡をねじれ振り子の一端に取り付け、ねじれ振り子の共振周波数変化として、復元力の測定を行った。これまで、ねじれ振り子の力測定の感度と精度が足りていなかったため、2019年度は新たに2段のねじれ振り子を制作し、防振を行うとともに、ねじれ振り子を軽量化することで力感度の向上を行った。
ねじれ振り子の一端に取り付けた鏡と、固定鏡で光共振器を構成し、光共振器内の光強度を変えながらねじれ振り子の共振周波数を測定した。その結果、光学的な復元力と光強度の関係が理論と矛盾しないことが確認できた。これにより、我々が提案しているサンドイッチ構成での光学浮上が原理的に可能であることが実証できた。

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

2019年度はねじれ振り子を用いて光学浮上鏡に働く水平方向の復元力を初めて確認することに成功し、またその復元力が理論通りであることが確認できた。また、米国メーカーやフランスの研究機関と協力し、浮上鏡の製作への目処を立てることができた。光学浮上の実現に向けて、おおむね順調に進展していると言える。

今後の研究の推進方策

2020年度は浮上鏡の製作と性能評価を行う。そして、光学浮上の世界初実現を目指す。

研究成果

• [雑誌論文] An arm length stabilization system for KAGRA and future gravitational-wave detectors (2020)
  • 著者名/発表者名: KAGRA Collaboration
  • 雑誌名: Classical and Quantum Gravity 巻: 37 ページ: 035004～035004
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6382/ab5c95
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Attonewton-meter torque sensing with a macroscopic optomechanical torsion pendulum (2020)
  • 著者名/発表者名: Komori Kentaro、Enomoto Yutaro、Ooi Ching Pin、Miyazaki Yuki、Matsumoto Nobuyuki、Sudhir Vivishek、Michimura Yuta、Ando Masaki
  • 雑誌名: Physical Review A 巻: 101 ページ: 011802
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevA.101.011802
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] DANCE: Dark matter Axion search with riNg Cavity Experiment (2020)
  • 著者名/発表者名: Michimura Yuta、Oshima Yuka、Watanabe Taihei、Kawasaki Takuya、Takeda Hiroki、Ando Masaki、Nagano Koji、Obata Ippei、Fujita Tomohiro
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1468 ページ: 012032～012032
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1468/1/012032
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Axion Dark Matter Search with Interferometrie Gravitational Wave Detectors (2020)
  • 著者名/発表者名: Nagano Koji、Obata Ippei、Fujita Tomohiro、Michimura Yuta
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 1468 ページ: 012027～012027
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1468/1/012027
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Vibration isolation system with a compact damping system for power recycling mirrors of KAGRA (2019)
  • 著者名/発表者名: KAGRA Collaboration
  • 雑誌名: Classical and Quantum Gravity 巻: 36 ページ: 095015～095015
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6382/ab0fcb
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] First cryogenic test operation of underground km-scale gravitational-wave observatory KAGRA (2019)
  • 著者名/発表者名: KAGRA Collaboration
  • 雑誌名: Classical and Quantum Gravity 巻: 36 ページ: 165008～165008
  • DOI: https://dx.doi.org/10.1088/1361-6382/ab28a9
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Prospects for gravitational-wave polarization tests from compact binary mergers with future ground-based detectors (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeda Hiroki、Nishizawa Atsushi、Nagano Koji、Michimura Yuta、Komori Kentaro、Ando Masaki、Hayama Kazuhiro
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 100 ページ: 042001
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.100.042001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Axion Dark Matter Search with Interferometric Gravitational Wave Detectors (2019)
  • 著者名/発表者名: Nagano Koji、Fujita Tomohiro、Michimura Yuta、Obata Ippei
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 123 ページ: 111301
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.111301
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Design and experimental demonstration of a laser modulation system for future gravitational-wave detectors (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto Kohei、Kokeyama Keiko、Michimura Yuta、Enomoto Yutaro、Nakano Masayuki、Ge Gui-Guo、Uehara Tomoyuki、Somiya Kentaro、Izumi Kiwamu、Miyakawa Osamu、Yamamoto Takahiro、Yokozawa Takaaki、Fujikawa Yuta、Fujii Nobuyuki、Kajita Takaaki
  • 雑誌名: Classical and Quantum Gravity 巻: 36 ページ: 205009～205009
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6382/ab4489
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Space gravitational-wave antennas DECIGO and B-DECIGO (2019)
  • 著者名/発表者名: S. Kawamura et al
  • 雑誌名: International Journal of Modern Physics D 巻: 28 ページ: 1845001～1845001
  • DOI: https://doi.org/10.1142/S0218271818450013
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Influence of nonuniformity in sapphire substrates for a gravitational wave telescope (2019)
  • 著者名/発表者名: Somiya K.、Hirose E.、Michimura Y.
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 100 ページ: 082005
  • DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.100.082005
  • 査読あり
• [学会発表] Laser Interferometric Search for Non-Standard Physics (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura
  • 学会等名: The First School on Quantum Sensors for Fundamental Physics
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Recent news from the optical levitation experiment (2020)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura
  • 学会等名: The 2nd QFilter Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] 光共振器における古典強度雑音を用いた反作用雑音低減の実証 (2020)
  • 著者名/発表者名: 川﨑拓也, 小森健太郎, 榎本雄太郎, Ooi Ching Pin, 宮崎祐樹, 松本伸之 道村唯太, 安東正樹
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] 光輻射圧による鏡の光学浮上法の安定性検証 (2020)
  • 著者名/発表者名: 喜多直紀, 川﨑拓也, 長野晃士, 牛場崇文, 道村唯太, 松本伸之, 安東正樹
  • 学会等名: 日本物理学会第75回年次大会
• [学会発表] Prospects for upgrading the KAGRA gravitational wave telescope (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura for the KAGRA Collaboration
  • 学会等名: 13th Edoardo Amaldi Conference on Gravitational Waves
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Laser Interferometry for Gravitational Wave Observations (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura
  • 学会等名: TianQin Summer School on Gravitational Waves 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] DANCE: Dark matter Axion search with riNg Cavity Experiment (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura, Yuka Oshima, Taihei Watanabe, Takuya Kawasaki, Hiroki Takeda, Koji Nagano, Masaki Ando, Ippei Obata, Tomohiro Fujita
  • 学会等名: 16th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics
  • 国際学会
• [学会発表] Improving the sensitivity of KAGRA gravitational wave detector (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura for the KAGRA Collaboration
  • 学会等名: Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Present status and future prospects of KAGRA gravitational wave telescope (2019)
  • 著者名/発表者名: Yuta Michimura for the KAGRA Collaboration
  • 学会等名: Multi-dimensional Modeling and Multi-Messenger observation from Core-Collapse Supernovae
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] レーザー干渉計によるアクシオン暗黒物質の探索 (2019)
  • 著者名/発表者名: 道村唯太、大島由佳、渡邊泰平、長野晃士、川﨑拓也、安東正樹、小幡一平、藤田智弘
  • 学会等名: ダークマターの懇談会2019
• [学会発表] km級宇宙レーザー干渉計による重力波望遠鏡の可能性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 道村唯太、長野晃士、伊藤琢博、和泉究、五十里哲、安東正樹
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] 重力波観測と量子技術 (2019)
  • 著者名/発表者名: 道村唯太
  • 学会等名: 応用物理学会・量子エレクトロニクス研究会「宇宙量子エレクトロニクス」
  • 招待講演
• [学会発表] 小型宇宙重力波望遠鏡の提案 (2019)
  • 著者名/発表者名: 道村唯太、長野晃士、伊藤琢博、和泉究、五十里哲、安東正樹
  • 学会等名: 第18回DECIGOワークショップ
• [学会発表] レーザー干渉計による重力波観測の現状と将来展望 (2019)
  • 著者名/発表者名: 道村唯太
  • 学会等名: 第32回 理論懇シンポジウム「天文学・宇宙物理学の変遷と新時代の幕開」
  • 招待講演
• [学会発表] 光輻射圧による鏡の光学浮上技術の開発(11) (2019)
  • 著者名/発表者名: 喜多直紀, 川﨑拓也, 長野晃士, 牛場崇文, 道村唯太, 松本伸之, 安東正樹
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] 線形光共振器による量子輻射圧ゆらぎの観測実験 (2019)
  • 著者名/発表者名: 川﨑拓也, 小森健太郎, 榎本雄太郎, Ooi Ching Pin, 宮崎祐樹, 松本伸之, 道村唯太, 安東正樹
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [学会発表] 光リング共振器を用いたLorentz不変性検証(5) (2019)
  • 著者名/発表者名: 武田紘樹, 千代田大樹, 道村唯太, 安東正樹
  • 学会等名: 日本物理学会2019年秋季大会
• [図書] 「低温レーザー干渉計で地下から重力波をとらえる－大型低温重力波望遠鏡KAGRAの挑戦－」『物理科学, この1年 2020』 (2020)
  • 著者名/発表者名: 道村唯太 (パリティ編集委員会、大槻 義彦)
  • 総ページ数: 166
  • 出版者: 丸善出版
  • ISBN: 978-4-621-30486-0
• [備考] Yuta Michimura
  • URL: http://granite.phys.s.u-tokyo.ac.jp/michimura/