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2022 年度 実施状況報告書

中性子星-ブラックホール合体の量子シミュレーション実現に向けた冷却原子理論研究

研究課題

研究課題/領域番号 22K13981
研究機関東京大学

研究代表者

田島 裕之  東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (80804278)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2027-03-31
キーワード冷却原子気体 / 中性子星 / ブラックホール / 輸送現象
研究実績の概要

強い引力相互作用をもつ冷却フェルミ原子気体の輸送現象に焦点を当てて理論研究を進めた。特に、近年冷却原子気体で実現されている2端子間トンネル輸送について、従来の1粒子トンネル過程では説明できないような大きなトンネルカレントの原因を明らかにすべく、強い引力相互作用によるペア形成の役割を探った。トンネルバリアに対応する1体ポテンシャル中の原子気体のハミルトニアンから2端子系のバルクハミルトニアンとトンネルハミルトニアンを構成すると、従来の1粒子トンネル過程に加えて、粒子間相互作用に起因したペア/スピントンネル過程が現れることを示した。
さらに、ペアトンネル過程による輸送キャリアを決定する方法として、トンネルカレントと非平衡ノイズの比で与えられるファノ因子の測定を理論的に提案した。1粒子トンネル過程が支配的であればファノ因子は「1」、ペアトンネル過程が支配的であれば「2」となる。マクロな観測量であるファノ因子から輸送キャリアの正体を決定できることを意味する。実際に、多体T行列理論およびShwinger-Keldysh Green関数法を用いて、BCS-BECクロスオーバー領域における超流動相転移温度以上の冷却フェルミ原子気体のファノ因子を計算すると、引力相互作用が強くなるにつれてファノ因子が1から2へ変化することがわかった。特に、強結合BEC側では、分子ボソンのトンネリング過程を記述する。
さらに、超伝導/常伝導界面のAndreev反射とブラックホールのHawking輻射のアナロジーが先行研究で指摘されていたのに対し、実際にその輸送現象を冷却原子気体で実現できることを議論した。
ペアトンネリング過程の存在は、ボース粒子系で議論されているトンネル輸送現象に類似したものが強相関フェルミ気体にも現れることを示唆しており、今後の発展が期待できる成果である。

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

初年度からユニタリーフェルミ気体のような引力相互作用が非常に強い系ならではの相互作用に起因した多体トンネル過程が現れることを示すことができたことは、今後の発展において重要な成果といえる。こういった多体トンネル過程を実験で観測する方法も提案しており、今後の発展が期待できる研究内容といえる。さらに、Andreev反射とHawking輻射による量子情報反射をシミュレートする系として、冷却原子気体の人工次元をヒントにRF遷移を利用した原子の超微細構造状態に関する内部空間の超流動/常流動接合系を提案し、通常の空間的な接合系では見られないAndreev反射がこの系で起きることを示した点は、当初の研究計画では想定していなかったユニークな研究成果である。

今後の研究の推進方策

今後は、強く相互作用する冷却フェルミ原子気体において多体トンネル過程の影響をより詳細に調べる予定である。多体トンネル過程の導出は、2成分フェルミ原子気体のみならず、ボース原子気体やボースフェルミ混合系、さらには原子核の多核子輸送にも適用できる汎用性の高い手法であり、中性子星内部のさまざまな相における輸送現象の理解にもつなげられる可能性を秘めている。冷却原子気体系における具体的なセットアップの元での輸送現象を解析することで、アナログ量子シミュレーションの観点から中性子星-ブラックホール連星において想定される輸送現象を探る。

  • 研究成果

    (33件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (12件) (うち国際共著 2件、 査読あり 12件、 オープンアクセス 6件) 学会発表 (19件) (うち国際学会 3件、 招待講演 8件)

  • [国際共同研究] リスボン大学(ポルトガル)

    • 国名
      ポルトガル
    • 外国機関名
      リスボン大学
  • [国際共同研究] 中国科学院大学(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      中国科学院大学
  • [雑誌論文] Spin conductivity spectrum and spin superfluidity in a binary Bose mixture2023

    • 著者名/発表者名
      Sekino Yuta、Tajima Hiroyuki、Uchino Shun
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 5 ページ: 023058~023058

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.5.023058

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Density-Induced Hadron-Quark Crossover via the Formation of Cooper Triples2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Tajima, Shoichiro Tsutsui, Takahiro M. Doi, and Kei Iida
    • 雑誌名

      Symmetry

      巻: 15 ページ: 333

    • DOI

      10.3390/sym15020333

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Competition between pairing and tripling in one-dimensional fermions with coexistent s- and p-wave interactions2023

    • 著者名/発表者名
      Yixin Guo and Hiroyuki Tajima
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 107 ページ: 024511

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.107.024511

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Nonequilibrium noise as a probe of pair-tunneling transport in the BCS-BEC crossover2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Tajima, Daigo Oue, Mamoru Matsuo, and Takeo Kato
    • 雑誌名

      PNAS Nexus

      巻: 2 ページ: pgad045

    • DOI

      10.1093/pnasnexus/pgad045

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Non-Hermitian topological Fermi superfluid near the p-wave unitary limit2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Tajima, Yuta Sekino, Daisuke Inotani, Akira Dohi, Shigehiro Nagataki, and Tomoya Hayata
    • 雑誌名

      Physical Review A

      巻: 107 ページ: 033331

    • DOI

      10.1103/PhysRevA.107.033331

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dominant andreev reflection through nonlinear radio-frequency transport2023

    • 著者名/発表者名
      Tingyu Zhang, Hiroyuki Tajima, Yuta Sekino, Shun Uchino, and Haozhao Liang
    • 雑誌名

      Communications Physics

      巻: 6 ページ: 86

    • DOI

      10.1038/s42005-023-01199-9

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Resonance-to-bound transition of 5He in neutron matter and its analogy with heteronuclear Feshbach molecules2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Tajima, Hajime Moriya, Wataru Horiuchi, Kei Iida, and Eiji Nakano
    • 雑誌名

      Physical Review C

      巻: 106 ページ: 045807

    • DOI

      10.1103/PhysRevC.106.045807

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Biexciton-like quartet condensates in an electron-hole liquid2022

    • 著者名/発表者名
      Yixin Guo, Hiroyuki Tajima, and Haozhao Liang
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 4 ページ: 023152

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.4.023152

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Multiparticle tunneling transport at strongly correlated interfaces2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Tajima, Daigo Oue, and Mamoru Matsuo
    • 雑誌名

      Physical Review A

      巻: 106 ページ: 033310

    • DOI

      10.1103/PhysRevA.106.033310

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Optical spin conductivity in ultracold quantum gases2022

    • 著者名/発表者名
      Yuta Sekino, Hiroyuki Tajima, and Shun Uchino
    • 雑誌名

      Physical Review Research

      巻: 4 ページ: 043014

    • DOI

      10.1103/PhysRevResearch.4.043014

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Role of the effective range in the density-induced BEC-BCS crossover2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Tajima and Haozhao Liang
    • 雑誌名

      Physical Review A

      巻: 106 ページ: 043308

    • DOI

      10.1103/PhysRevA.106.043308

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Stability against three-body clustering in one-dimensional spinless p-wave fermions2022

    • 著者名/発表者名
      Yixin Guo and Hiroyuki Tajima
    • 雑誌名

      Physical Review A

      巻: 106 ページ: 043310

    • DOI

      10.1103/PhysRevA.106.043310

    • 査読あり
  • [学会発表] 2体力と3体力が共存するフェルミ粒子系におけるクーパー問題2023

    • 著者名/発表者名
      赤神青空, 田島裕之, 飯田圭
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
  • [学会発表] 中性子星物質中の量子多体効果: 冷却原子気体研究からのアプローチ2023

    • 著者名/発表者名
      田島裕之
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
    • 招待講演
  • [学会発表] 強相関多成分フェルミ気体の理論研究2023

    • 著者名/発表者名
      田島裕之
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
    • 招待講演
  • [学会発表] Polarons and correlated transport in cold atomic and nuclear systems2023

    • 著者名/発表者名
      田島裕之
    • 学会等名
      第4回若手放談会: エキゾチック核物理の将来
    • 招待講演
  • [学会発表] Three-body crossover in fermionic systems across the hierarchical structure2023

    • 著者名/発表者名
      田島裕之
    • 学会等名
      第8回クラスター階層領域研究会
  • [学会発表] 3成分フェルミオン系におけるクーパートリプルの凝縮2022

    • 著者名/発表者名
      田島裕之, 筒井翔一朗,土居孝寛,飯田圭
    • 学会等名
      日本物理学会2022年秋季大会
  • [学会発表] Possible condensation of Cooper triples2022

    • 著者名/発表者名
      Sora Akagami, Hiroyuki Tajima, and Kei Iida
    • 学会等名
      29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
    • 国際学会
  • [学会発表] Conductivity of Alternating Spin Currents in Ultracold Atomic Gases2022

    • 著者名/発表者名
      Yuta Sekino, Hiroyuki Tajima, and Shun Uchino
    • 学会等名
      29th International Conference on Low Temperature Physics (LT29)
    • 国際学会
  • [学会発表] Resonance-to-bound transition of 5He in neutron matter from the viewpoint of Feshbach molecules in a Bose-Fermi mixture2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Tajima, Hajime Moriya, Wataru Horiuchi, Kei Iida, and Eiji Nakano
    • 学会等名
      International Symposium on Clustering as a Window on the Hierarchical Structure of Quantum Systems (CLUSHIQ2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] Towards universal energy density functionals of non-relativistic spin-1/2 Fermi gases2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Tajima
    • 学会等名
      YITP Workshop “Fundamentals in density functional theory (DFT2022)
  • [学会発表] 核物質中の多体クラスターにおける媒質効果2022

    • 著者名/発表者名
      田島裕之, Yixin Guo, Haozhao Liang
    • 学会等名
      京都大学原子核理論研究室コロキウム
    • 招待講演
  • [学会発表] 強相関フェルミ超流動: BCS-BECクロスオーバーを中心に2022

    • 著者名/発表者名
      田島裕之
    • 学会等名
      千葉工業大学基礎科学セミナー第56回
    • 招待講演
  • [学会発表] 2成分ボース・アインシュタイン凝縮体の交流スピン伝導率2022

    • 著者名/発表者名
      関野裕太, 田島裕之, 内野瞬
    • 学会等名
      日本物理学会秋季大会
  • [学会発表] 強相関冷却原子気体における多体トンネル輸送2022

    • 著者名/発表者名
      田島裕之, 大上能悟, 松尾衛
    • 学会等名
      日本物理学会秋季大会
  • [学会発表] 3体共鳴近傍の3成分フェルミ原子気体における3体束縛分子からクーパートリプルへのクロスオーバー2022

    • 著者名/発表者名
      田島裕之, 筒井翔一朗,土居孝寛,飯田圭
    • 学会等名
      日本物理学会秋季大会
  • [学会発表] 強結合多成分フェルミ超流動: 冷却原子気体から多バンド超伝導、核物質まで2022

    • 著者名/発表者名
      田島裕之
    • 学会等名
      日本物理学会秋季大会シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] 希薄中性子物質中の5Heの共鳴-束縛転移とFeshbach分子とのアナロジー2022

    • 著者名/発表者名
      田島裕之, 森谷元, 堀内渉, 飯田圭, 仲野英司
    • 学会等名
      大阪大学RCNP研究会「低エネルギー核物理と高エネルギー天文学で読み解く中性子星」
  • [学会発表] Sound velocity and superfluid properties in the density-induced BEC-BCS crossover2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Tajima
    • 学会等名
      IKEN iTHEMS GW-EOS working group seminar
    • 招待講演
  • [学会発表] Cooper quartet correlations in multi-component fermionic systems2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Tajima, Yixin Guo, and Haozhao Liang
    • 学会等名
      RIKEN Strangeness Nuclear Physcis (SNP) seminar
    • 招待講演

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公開日: 2023-12-25  

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