| 研究課題/領域番号 |
19K03704
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| 研究機関 | 中央大学 |
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研究代表者 |
東條 賢 中央大学, 理工学部, 准教授 (30433709)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 量子エレクトロニクス / 冷却原子輸送 / 光学禁制遷移 / 光近接場 |
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| 研究実績の概要 |
制御性の高いレーザー冷却原子を”原子波プローブ”として用いて、誘電体表面近傍に誘起されるナノ領域における光磁気的な相互作用探索を目指している。[1]冷却原子によって波の性質を有する薄膜状の原子波に、[2]光磁場を透磁率変化により転写し、[3]光磁場による新しい量子操作へと発展する。初年度では、安定的な薄膜原子波プローブ測定の技術確立を，2年目では原子波の輸送安定化と光磁場検出のための光源開発および照射光の空間モード制御を準備したきた。
本年度では引き続き[1]に必要な原子波の表面近傍への輸送，[2]に必要な光磁場を有する5P-6P遷移である911nm光の高強度化と照射実験，および[3]の派生である空間モード制御によって軌道角運動量を有するラゲールガウス光（LG光）の整備を行う。
[1]については冷却原子を表面近傍の光定在波へ導入し薄膜状原子波生成を実現しているが，定在波自体が表面から数μm程度離れているため光磁場の精密測定が難しい可能性を見積もった。そこで原子波と表面相互作用を探索するために原子波を表面方向へ打ち上げるいわゆるファウンテン実験を実施し，表面近傍での薄膜原子波による光電磁場測定の確立を行う。
[2]については911nm光の照射実験を整備する。これまでの十数mW程度の照射実験では許容遷移と異なり遷移レートが数桁以上低いため発光観測に数秒の時間を要していた。今年度では光アンプを整備し数百mW程度の光源を用いて観測時間を短縮し，[1]の実験との統合化を目指す。
[3]については前年度に引き続き，LG光の整備および光学禁制遷移を用いた照射実験を行う。予備実験として5S-5D二光子遷移である778nm光のLG光を照射しスペクトル測定を行った。また新しい量子操作への一歩としてLG光自体の光圧を評価を行っている。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
本研究では従来の光学許容遷移である電気双極子遷移で担う光電場ではなく，光磁場の新しいナノ光計測と光操作を目指している。前述の[1]冷却原子によって波の性質を有する薄膜状の原子波に、[2]光磁場を透磁率変化により転写し、[3]光磁場による新しい量子操作へと発展，に対応する進捗状況を以下に報告する。特に，2020年度は新型コロナ禍によって実験時間の確保が困難であったため当初予定していた[1][2][3]の結合には至っていない。しかし一方で各々を独立的に研究実施できたため，多くの可能性を再確認できた。
[1]では，表面近傍へ導入した光定在波が表面から数μm程度離れており」光磁場の精密測定が難しい可能性を見積もった。原子波と表面相互作用を探索するために原子波を表面方向へ打ち上げるいわゆるファウンテン実験を実施し，表面近傍での薄膜原子波による光電磁場測定の確立を行うことができた。さらにエバネッセント光輻射による薄膜原子波の並進運動への影響および双極子力を精密測定を実現できた。統合化の進捗は遅れたものの薄膜原子波の運動制御の本質的な素過程解明への重要な成果となりうる。
[2]および[3]においては[1]を発展させることが必須であるため，今年度の新型コロナ禍による制限された実験時間内では順調に進展したと明言できない。一方で，[2]実現のためのLG光の安定生成を達成し，5S-5D二光子遷移を用いた分光実験を実施している。[3]の目標のひとつ量子操作はコヒーレント制御することが必要であり 5S-5D二光子遷移で前年度実現したラビ振動を用いてコヒーレントに操作することが可能となる。さらに局所的に制御するためにはエバネッセント光のような光近接場自体の薄膜原子波への直接的な影響を加味する必要がある。今年度ではこれらの副次的な研究を実施しており，次年度以降への布石としては大きな成果を得ている。
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| 今後の研究の推進方策 |
今年度実現した[1]薄膜状冷却原子波の安定生成および，[2]を部分的に実現した光磁場およびLG光による特異な光電場の従来の原子波への転写、[3]を部分的および派生的に実現した光磁場および特異な光電場による従来原子波の量子操作、を踏まえて薄膜状原子波を用いた[2]および[3]の実現を目指す。顕微分光用観測装置の整備については現状実現している数μm程度の空間分解能をベースに二光子遷移を用いた6P-5S発光（420 nm）観測系の整備を重点的に行い，従来型の5S-5P（780 nm）・5P-5D励起（776 nm）および磁気双極子・電気四重極子励起である5P-6P励起（911 nm）を用いた励起光ノイズを低減した観測系を整備する。特に，911 nmレーザー光を増幅するために光増幅器を整備し，5P-6P励起の高効率化および高強度光磁場生成による光磁場転写実験の高安定化を行う。
特異な光電場については引き続き全反射によるエバネッセント光およびLG光の高安定生成と冷却原子波への照射実験を整備する。特に[3]の発展的研究であるボースアインシュタイン凝縮体を用いた量子原子波と特異な光電場との相互作用について発展させ，量子気体への特異な量子操作の実現を目指す。現在実現している水平交差型光トラップによる凝縮体生成では交差領域外に生ずる熱的原子による不安定を排除できないため，垂直交差型光トラップを整備し安定的な凝縮体生成を実現してコヒーレントな量子操作を目指す。また全光学的な凝縮体生成によりスピン自由度を有するスピノールボーズ凝縮体の実験が可能となり，特異な光電磁場を凝縮体の振幅および位相へ転写し量子渦生成や表面励起生成として観測することが可能となる。さらに次年度以降に光定在波内の薄膜状のボースアインシュタイン凝縮生成により量子薄膜原子波の実験を目指す。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
予算執行についてはおおむね計画通りに執行しており，前年度の繰り越し分のうち英国の研究者招聘分のみ引き続き新型コロナ禍による次年度以降へ持ち越すこととなった。
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