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2022 年度 実施状況報告書

量子シミュレータの実用化に向けた、高波長安定・長寿命・小型可視光光源

研究課題

研究課題/領域番号 22K20356
研究機関京都大学

研究代表者

高野 哲至  京都大学, 理学研究科, 特定准教授 (80773530)

研究期間 (年度) 2022-08-31 – 2024-03-31
キーワード外部共振器レーザ / 可視光半導体レーザ / レーザ冷却 / 量子シミュレータ
研究実績の概要

本研究の目的は、高波長安定・長寿命・小型の399nmレーザの開発である。このレーザは、イッテルビウム(Yb)原子の量子シミュレータ・光格子時計の小型化のボトルネックの1つとなっており、本研究が達成されれば、量子シミュレータ・光格子時計の可搬化・実用化が大幅に促進される。本研究では、窒化ガリウム半導体を用いた干渉フィルタ型外部共振器レーザ、および、Yb原子気体を用いたファラデーレーザを開発する予定であった。
2022年度は、窒化ガリウム半導体をもちいた干渉フィルタ型外部共振器レーザの開発に成功した。干渉フィルタ型外部共振器レーザは、従来の回折格子型にくらべ小型で高波長安定という利点がある一方で、可視光の半導体レーザを用いて構成した際に、徐々にパワーが減衰するという課題があった。本研究では、このパワーの原因が共振器ミラー表面での光集塵によるものであると考え、共振器ミラーをSABOC(Surface-Activated-Bonded Output Coupler、表面活性化接合された出力ミラー)に置換してこの課題を解決しようと試みた。SABOCは、2枚の石英基板を表面活性化接合で貼り合わせたもので、接合面で光を反射することで集塵を防ぐ。SABOCを用いて干渉フィルタ型外部共振器レーザを構成した結果、波長安定でイッテルビウム原子に共鳴な20mW弱の出力が得られた。本研究の予算は、主にこのレーザの性能評価のための電子機器の購入に用いられた。一方で、Yb原子気体を用いたファラデーレーザについては、Yb原子気体を生成するため、原子ビームオーブンを始めとした真空装置を設計・調達した。
本研究で得られた知見の一部を利用して、Yb原子の内殻電子を励起する時計遷移の観測に成功した論文が、2023年4月15日に、国際学術誌「Physical Review Letters」にオンライン掲載された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本研究の目的は、高波長安定・長寿命・小型の399nmレーザの開発であり、2022年度は、窒化ガリウム半導体をもちいた干渉フィルタ型外部共振器レーザを開発する予定であった。
実際、2022年度は、申請時の予定通り、窒化ガリウム半導体をもちいた干渉フィルタ型外部共振器レーザを開発した。本光源は、20mW弱の出力であり、かつ、Yb原子の共鳴波長において波長安定な手のひらに乗るサイズのコンパクトな光源である。これは、イッテルビウム(Yb)原子の量子シミュレータのプローブ光源として十分な性能であり、量子シミュレータの小型化に向けて重要な成果である。
さらに、ファラデーレーザ検討のための、原子ビームオーブンや真空装置の設計・発注を行った。以上の事から、研究は予定以上に進行したといえる。

今後の研究の推進方策

本研究の目的は、高波長安定・長寿命・小型の399nmレーザの開発である。このレーザは、イッテルビウム(Yb)原子の量子シミュレータ・光格子時計の小型化のボトルネックの1つとなっており、本研究が達成されれば、量子シミュレータ・光格子時計の可搬化・実用化が大幅に促進される。
2023年度は、2022年度に製作した窒化ガリウム半導体をもちいた干渉フィルタ型外部共振器レーザがイッテルビウム(Yb)原子量子シミュレータのプローブ光源として使用可能であるかを、現在開発中の小型量子シミュレータを用いて評価する。その際に、2022年度の評価に含まれなかった、長期的なパワー・波長・モードの安定性を評価し、開発した光源が実用に足るかどうかを評価する。さらに、表面活性化接合と比較してより製作自由度の高い、新しい接合法である原子拡散接合を用いた結合ミラーを製作し、長寿命な可視光干渉フィルタ型外部共振器レーザが構築できるかを評価する。さらに、2022年度購入した原子ビームオーブンや真空装置を組み立て、原子安定化に利用可能な、高輝度で安定な原子線を開発する。

次年度使用額が生じた理由

2023年度計画している、作成中のクラウド型量子シミュレータを用いた光源の評価に、より重点的に予算を使用する計画と変わったため、次年度使用額95.596円が生じた。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] Observation of an Inner-Shell Orbital Clock Transition in Neutral Ytterbium Atoms2023

    • 著者名/発表者名
      Ishiyama Taiki、Ono Koki、Takano Tetsushi、Sunaga Ayaki、Takahashi Yoshiro
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 130 ページ: 153402-1-6

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.130.153402

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Insights into new physics and nuclear physics from precise isotope shift measurements2023

    • 著者名/発表者名
      Taiki Ishiyama, Koki Ono, Tetsushi Takano, Ayaki Sunaga, Yosuke Takasu, Yasuhiro Yamamoto, Minoru Tanaka, and Yoshiro Takahashi
    • 学会等名
      量子 クラスター で 読 み 解 く 物質 の 階層構造 第 8回 クラスター 階層領域研究会
  • [学会発表] Precise Isotope Shift Measurements Toward New Physics Search2023

    • 著者名/発表者名
      Taiki Ishiyama, Koki Ono, Tetsushi Takano, Ayaki Sunaga, and Yoshiro Takahashi
    • 学会等名
      京都 大学 卓越 大学院 プログラム International Symposia on Creation of Advanced Photonic and Electronic Devices 2023 and Advanced Quantum Technology for Future 2023
  • [学会発表] イッテルビウム原子の新時計遷移の実験的観測に向けた検討2023

    • 著者名/発表者名
      石山泰樹,小野滉貴,高野哲至,砂賀彩光,高橋義朗
    • 学会等名
      日本物理学会 2023年秋季大会
  • [学会発表] Novel light sources for quantum sensors and simulator2022

    • 著者名/発表者名
      Tetsushi Takano, Hisashi Ogawa, Weiyong Liu, Chiaki Ohae, Masayuki Katsuragawa, and Yoshiro Takahashi
    • 学会等名
      The international conference on Quantum sensors and tests of new physics
    • 国際学会
  • [学会発表] bservation of Nonlinearity of Generalized King Plot in the Search for New Boson2022

    • 著者名/発表者名
      Koki Ono, Taiki Ishiyama, Tetsushi Takano, Ayaki Sunaga, Yosuke Takasu, Yasuhiro Yamamoto, Minoru Tanaka, and Yoshiro Takahashi,
    • 学会等名
      The international conference on Quantum sensors and tests of new physics
    • 国際学会
  • [学会発表] Precise isotope shift measurements and implications for beyond-standard-model and nuclear physics2022

    • 著者名/発表者名
      Taiki Ishiyama, Koki Ono, Tetsushi Takano, Ayaki Sunaga, Yosuke Takasu, Yasuhiro Yamamoto, Minoru Tanaka, and Yoshiro Takahashi
    • 学会等名
      International symposium on Clustering as a Window on the Hierarchical Structure of Quantum Systems
    • 国際学会

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公開日: 2023-12-25  

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