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2013 年度 実績報告書

光格子中イッテルビウム量子気体の究極的操作・観測が拓く新奇量子凝縮相研究の新展開

研究課題

研究課題/領域番号 25220711
研究種目

基盤研究(S)

研究機関京都大学

研究代表者

高橋 義朗  京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (40226907)

研究分担者 高須 洋介  京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (50456844)
藤本 聡  京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (10263063)
段下 一平  京都大学, 基礎物理学研究所, 助教 (90586950)
研究期間 (年度) 2013-05-31 – 2018-03-31
キーワード量子エレクトロニクス / 冷却原子 / トポロジカル超流動 / ベリー位相 / マヨラナ・フェルミオン / 量子三重臨界点 / 二種混合気体
研究概要

Yb原子を用いた冷却原子実験では、まず、冷却光の周波数スイープおよび蒸発冷却の最適化により、大量の超低温Yb原子気体を安定に生成する技術をほぼ確立した。また、フェルミ粒子の基底状態と準安定状態との間の磁場フェッシュバッハ共鳴を原子ロスおよび光格子中の分光測定により発見するとともに、フェッシュバッハ分子の光生成に成功にも成功した。これは、今後、光フェッシュバッハ共鳴にも応用できる可能性がある。さらに、光リープ格子の実装に成功したことを、BECの干渉パターンやフェルミ粒子のバンドマッピングにより確認した。さらに、超格子技術を利用した新規の量子輸送現象の観測にも成功した。また、光格子中に、Yb原子とLi原子を同時に導入することに成功し、Liのフェルミ縮退気体がある状態で、Yb原子の高分解能分光実験を遂行した。
理論では、トポロジカルに非自明な磁気構造によって誘起される創発的電磁気現象、およびトポロジカル超流動における動的アクシオンについて理論研究を行った。スカーミオンなどのテクスチュアの動的変化が生み出す創発的電磁場が電気的に中性な粒子に対して働き、ホール効果や磁気電気効果を生み出すことが明らかになった。
また、光格子中のYb原子量子気体系を量子シミュレータとして実現できる様々な理論模型を提案・解析し、そこで起こる興味深い量子多体物理現象を予言した。具体的には、ボース粒子Yb同位体の二種混合系における超流動-絶縁体転移の量子三重臨界性や、それを三角光格子に閉じ込めた際に出現する新奇な磁性相を見いだした。

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

冷却原子数の増大、フェルミ原子に対するフェッシュバッハ共鳴の観測、光リープ格子の実装、およびYbLi原子の光格子への実装など、当初の計画通りに進んでいるだけでなく、フェシュバッハ分子の直接光会合など新たな結果が得られており、当初の計画以上に進展していると言える。
理論は、25年度は、動的なトポロジカル量子現象についての理解が大きく進む成果が得られた。これは従来、あまり研究されていなかったテーマであり、ここで得られた知見を下にマヨラナ・フェルミオンの動的性質について一層、理解が進むことが期待され、当初の計画以上に進展していると言える。
また、本研究課題の目的である、光格子中Yb気体系の量子シミュレータとしての可能性
を理論的提案によって広げられたという意味で、当該年度の研究は順調に進展したといえる。実際に、量子相転移の臨界性を調べるための高空間分解能観測技術と非従来型の光格子の実験開発が進んでおり、理論・実験が共通の着地点に向かっている。

今後の研究の推進方策

冷却光にサイドバンドを生成することにより、原子数を飛躍的に増大させる。また、シュテルン・ゲルラッハ法を駆使した観測法を確立し、基底状態と準安定状態間のクーパー対のフェルミ超流動の実現を試みる。また、人工スピン軌道相互作用によるマヨラナ準粒子の安定性について理論的に明らかにする。さらに、準安定状態で回転系断熱消磁実験を行い、磁気相転移の観測を試みる。リープ格子のバンド占有情報についての各種測定を行い確認する。また、光超格子技術を応用した、1次元でのサウレスポンピングおよび超流動性に関する研究を理論と比較しながら進める。
理論は、25年度に理解が大きく進んだ、動的トポロジカル現象に関する知見を土台にして、トポロジカル超流動中におけるマヨラナ・フェルミオンの動的応答についての研究を推進し、冷却原子気体におけるマヨラナ・フェルミオンの実現と観測に向けて、その条件を明らかにすることを目指す。
また、今後も引き続き、量子シミュレータで実現するに値する興味深い現象を理論的に予言していく。特に実験系での実現可能性が高い現象に注目して、理論担当者と実験担当者の議論の頻度を上げ、互いにパラメータをどのように与えて解析を行うべきかというレベルまで実験・理論の対応を精密化する。

  • 研究成果

    (44件)

すべて 2014 2013 その他

すべて 雑誌論文 (11件) (うち査読あり 11件) 学会発表 (29件) (うち招待講演 12件) 図書 (1件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] Electrodynamics in Slyrmion Merging2014

    • 著者名/発表者名
      Rina Takashima and Satoshi Fujimoto
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Socety of Japan

      巻: 未定 ページ: 未定

    • 査読あり
  • [雑誌論文] QuantumPhase Slips of Trapped Superfluid Bose Gases in One Dimension2014

    • 著者名/発表者名
      Ippei Danshita
    • 雑誌名

      Journal of Low Temperature Physics

      巻: 175 ページ: 222-228

    • DOI

      10.1007/s10909-013-0970-y

    • 査読あり
  • [雑誌論文] First-Order Phase Transition and Anomalous Hysteresis of Binary Bose Mixtures in an Optical Lattice2014

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Yamamoto, Takeshi Ozaki, Carlos A. R. Sa de Melo, Ippei Danshita
    • 雑誌名

      Journal of Low Temperature Physics

      巻: 175 ページ: 258-264

    • DOI

      10.1007/s10909-013-0989-0

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantum Phase Diagram of the Triangular-Lattice XXZ Model in a Magnetic Field2014

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Yamamoto, Giacomo Marmorini, Ippei Danshita
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 112 ページ: 127203/1-5

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.112.127203

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Optical spectral imaging of a single layer of a quantum gas with an ultranarrow optical transition2014

    • 著者名/発表者名
      Kosuke Shibata, Ryuta Yamamoto, Yu Seki, and Yoshiro Takahashi
    • 雑誌名

      Phys. Rev. A

      巻: 89 ページ: 031601(R) -1-5

    • DOI

      10.1103/PhysRevA.89.031601

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dynamical axion in topological superconductors and superfluids2014

    • 著者名/発表者名
      Ken Shiozaki and Satoshi Fujimoto
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 89 ページ: 054506-1-12

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.89.054506

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Quantum Tricriticality at the Superfluid-Insulator Transition of Binary Bose Mixtures2014

    • 著者名/発表者名
      Yasuyuki Kato, Daisuke Yamamoto, Ippei Danshita
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 112 ページ: 055301/1-5

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.112.055301

    • 査読あり
  • [雑誌論文] High-sensitivity in situ fluorescence imaging of ytterbium atoms in a 2D optical lattice with dual optical molasses2014

    • 著者名/発表者名
      Kosuke Shibata , Ryuta Yamamoto, and Yoshiro Takahashi
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 83 ページ: 014301-1-8

    • DOI

      10.7566/JPSJ.83.014301

    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Three-Dimensional Optical Lattice of Ytterbium and Lithium Atomic Gas Mixture”, Journal of the Physical Society of Japan2013

    • 著者名/発表者名
      Hideaki Hara, Hideki Konishi, Shuta Nakajima, Yosuke Takasu, and Yoshiro Takahashi
    • 雑誌名

      Phys. Rev. A

      巻: 83 ページ: 014003-1-8

    • DOI

      10.7566/JPSJ.83.014003

    • 査読あり
  • [雑誌論文] First-order phase transition and anomalous hysteresis of Bose gases in optical lattices2013

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Yamamoto, Takeshi Ozaki, Carlos A. R. Sa de Melo, Ippei Danshita
    • 雑誌名

      Physical Review A

      巻: 88 ページ: 033624/1-17

    • DOI

      10.1103/PhysRevA.88.033624

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Universal Damping Behavior of Dipole Oscillations of One- Dimensional Ultracold Gases Induced by Quantum Phase Slips2013

    • 著者名/発表者名
      Ippei Danshita
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 111 ページ: 025303/1-5

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.111.025303

    • 査読あり
  • [学会発表] 二次元光格子系で期待される新奇な量子相転移

    • 著者名/発表者名
      段下一平
    • 学会等名
      日本物理学会第69回年次大会
    • 発表場所
      東海大学湘南キャンパス(神奈川県平塚市)
    • 招待講演
  • [学会発表] 光格子に導入された冷却Yb-Li原子混合系のふるまい

    • 著者名/発表者名
      小西秀樹,原秀明,Florian Schaefer,足立景亮,中島秀太,高須洋介,高橋義朗
    • 学会等名
      日本物理学会第69回年次大会
    • 発表場所
      東海大学湘南キャンパス(神奈川県平塚市)
  • [学会発表] Ybフェルミ原子における磁気フェッシュバッハ共鳴II

    • 著者名/発表者名
      田家慎太郎,渡邉俊介,中村悠介,高須洋介,高橋義朗
    • 学会等名
      日本物理学会第69回年次大会
    • 発表場所
      東海大学湘南キャンパス(神奈川県平塚市)
  • [学会発表] 低次元171Yb-174Yb混合気体の高感度観測

    • 著者名/発表者名
      山本隆太,柴田康介,関友宇,久野拓馬,山田琢允,高橋義朗
    • 学会等名
      日本物理学会第69回年次大会
    • 発表場所
      東海大学湘南キャンパス(神奈川県平塚市)
  • [学会発表] 光格子中の一次元ボース気体における超流動流の崩壊

    • 著者名/発表者名
      段下一平
    • 学会等名
      日本物理学会第69回年次大会
    • 発表場所
      東海大学湘南キャンパス(神奈川県平塚市)
    • 招待講演
  • [学会発表] 超伝導におけるマヨラナ粒子

    • 著者名/発表者名
      藤本聡
    • 学会等名
      日本物理学会2014年第69回年次大会
    • 発表場所
      東海大学湘南キャンパス(神奈川県平塚市)
    • 招待講演
  • [学会発表] 不連続モット絶縁体相転移近傍における超流動ボース混合気体の明的 暗ソリトンと流れの位相特性

    • 著者名/発表者名
      段下一平、山本大輔、加藤康之
    • 学会等名
      日本物理学会第69回年次大会
    • 発表場所
      東海大学湘南キャンパス(神奈川県平塚市)
  • [学会発表] 二成分ボース・ハバード模型の量子三重臨界点近傍の臨界現象

    • 著者名/発表者名
      加藤康之、山本大輔、段下一平
    • 学会等名
      日本物理学会第69回年次大会
    • 発表場所
      東海大学湘南キャンパス(神奈川県平塚市)
  • [学会発表] Binary Bose mixtures in optical lattices

    • 著者名/発表者名
      Ippei Danshita
    • 学会等名
      International Molecule-type Workshop on New Correlations in Exotic Nuclei and Advances of Theoretical Models
    • 発表場所
      Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto University, Kyoto, Japan
    • 招待講演
  • [学会発表] Quantum Simulator of Strongly Interacting Quantum Many-Body Systems Using Atoms

    • 著者名/発表者名
      Y. Takahashi
    • 学会等名
      International Molecule-type Workshop on New correlations in exotic nuclei and advances of theoretical models
    • 発表場所
      Yukawa Institute, Kyoto University, Kyoto,
    • 招待講演
  • [学会発表] Quantum tricriticality at the superfluid-insulator transition of binary Bose mixtures: A quantum Monte Carlo study

    • 著者名/発表者名
      Yasuyuki Kato, Daisuke Yamamoto, Ippei Danshita
    • 学会等名
      American Physical Society March Meeting 2014
    • 発表場所
      Colorado Convention Center, Denver, USA
  • [学会発表] Bright-like dark solitons and current-phase characteristics of superfluid Bose mixtures near the first-order Mott transition

    • 著者名/発表者名
      Ippei Danshita, Daisuke Yamamoto, Yasuyuki Kato
    • 学会等名
      American Physical Society March Meeting 2014
    • 発表場所
      Colorado Convention Center, Denver, USA
  • [学会発表] Triangular-Lattice Antiferromagnets with Exchange Anisotropy and a Magnetic Field

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Yamamoto, Giacomo Marmorini, Ippei Danshita
    • 学会等名
      American Physical Society March Meeting 2014
    • 発表場所
      Colorado Convention Center, Denver, USA
  • [学会発表] Quantum Simulation Using Ultracold Ytterbium

    • 著者名/発表者名
      Y. Takahashi
    • 学会等名
      FIRST International Symposium on"Topological Quantum Technology"
    • 発表場所
      Hongo Campus, Univ. of Tokyo, Tokyo,
    • 招待講演
  • [学会発表] Possible Topological Superfluid using Ultracold Ytterbium Atoms

    • 著者名/発表者名
      Y. Takahashi
    • 学会等名
      Topological Quantum Phenomena in Condensed Matter with Broken Symmeteries The Fourth Annual Meeting
    • 発表場所
      Nagoya University, Nagoya,
    • 招待講演
  • [学会発表] 光格子中の冷却原子実験

    • 著者名/発表者名
      高橋義朗
    • 学会等名
      日本物理学会2013年秋季大会
    • 発表場所
      徳島大学常三島キャンパス(徳島市)
    • 招待講演
  • [学会発表] 超高分解能レーザー分光による有限温度ボース・ハバード系の研究

    • 著者名/発表者名
      中村悠介,高須洋介,田家慎太郎,渡邉俊介(京大),稲葉謙介,山下眞(NTT),高橋義朗(京大)
    • 学会等名
      日本物理学会2013年秋季大会
    • 発表場所
      徳島大学常三島キャンパス(徳島市)
  • [学会発表] Lieb型光格子の実現

    • 著者名/発表者名
      西尾卓衛,中島秀太,田家慎太郎,小沢秀樹,高橋義朗
    • 学会等名
      日本物理学会2013年秋季大会
    • 発表場所
      徳島大学常三島キャンパス(徳島市)
  • [学会発表] イッテルビウム原子の量子気体顕微鏡の開発3

    • 著者名/発表者名
      山本隆太,柴田康介,関友宇,高橋義朗
    • 学会等名
      日本物理学会2013年秋季大会
    • 発表場所
      徳島大学常三島キャンパス(徳島市)
  • [学会発表] 三角格子上スピン-1/2XXZ模型の磁場中量子相図

    • 著者名/発表者名
      山本大輔、Giacomo Marmorini、段下一平
    • 学会等名
      日本物理学会2013年秋季大会
    • 発表場所
      徳島大学常三島キャンパス(徳島市)
  • [学会発表] First-Order Transition and Anomalous Hysteresis of Binary Bose Mixtures in an Optical Lattice

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Yamamoto, Takeshi Ozaki, Carlos A. R. Sa de Melo, Ippei Danshita
    • 学会等名
      The International Conference on Quantum Fluids and Solids 2013
    • 発表場所
      Kunibiki Messe, Matsue, Shimane
  • [学会発表] Quantum phase slips of trapped superfluid Bose gases in one dimension

    • 著者名/発表者名
      Ippei Danshita
    • 学会等名
      The International Conference on Quantum Fluids and Solids 2013
    • 発表場所
      Kunibiki Messe, Matsue, Shimane
  • [学会発表] Quantum Magnetism of Cold Atoms in an Optical Lattice

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Yoshiro
    • 学会等名
      QFS2013(Internatinal Symposium on Quantum Fluids and Solids), P2.2
    • 発表場所
      くにびきめっせ, 松江市
    • 招待講演
  • [学会発表] Thermal responses of topological superconductors

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Fujimoto
    • 学会等名
      IMR workshop "superconductivity research advanced by new materials and spectroscopies"
    • 発表場所
      東北大学金属材料研究所(仙台
    • 招待講演
  • [学会発表] Quantum Simulation Using Ultracold Ytterbium Atoms in an Optical Lattice

    • 著者名/発表者名
      Takahashi Yoshiro
    • 学会等名
      APPC12(第12回アジア太平洋物理会議), B3-2-I4
    • 発表場所
      幕張メッセ、千葉市
    • 招待講演
  • [学会発表] Ultracold Ytterbium atoms in an optical lattice

    • 著者名/発表者名
      Yoshiro Takahashi
    • 学会等名
      SFB/ZOQ Colloquia SoSe 2013
    • 発表場所
      Center for Optical Quantum Technologies Seminar room, The Institute of Laser Physics, University of Hamburg, Germany
    • 招待講演
  • [学会発表] Detecting superflow decay via quantum phase slips in damped dipole oscillations of one-dimensional ultracold gases

    • 著者名/発表者名
      Ippei Danshita
    • 学会等名
      Disorder in Condensed Matter and Ultracold Atoms
    • 発表場所
      Villa Monastero, Varenna, Italy
  • [学会発表] Damping of dipole oscillations of one-dimensional Bose gases induced by quantum phase slips

    • 著者名/発表者名
      Ippei Danshita
    • 学会等名
      2013 Joint Meeting of the APS Division of Atomic, Molecular, and Optical Physics and the CAP Division of Atomic, Molecular, and Optical Physics
    • 発表場所
      Quebec City Convention Center, Quebec City, Quebec, Canada
  • [学会発表] First-order transition and hysteresis phenomena of Bose-Bose mixtures in an optical lattice

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Yamamoto, Takeshi Ozaki, Carlos A. R. Sa de Melo, Ippei Danshita
    • 学会等名
      2013 Joint Meeting of the APS Division of Atomic, Molecular, and Optical Physics and the CAP Division of Atomic, Molecular, and Optical Physics
    • 発表場所
      Quebec City Convention Center, Quebec City, Quebec, Canada
  • [図書] 固体物理<量子コンピューターへの道>特集号「冷却原子を用いた量子シミュレーション」Vol.48, No.112013

    • 著者名/発表者名
      中島秀太・高橋義朗
    • 総ページ数
      155-163
    • 出版者
      アグネ技術センター
  • [備考] 京都大学 高橋義朗

    • URL

      http://yagura.scphys.kyoto-u.ac.jp/research/index.html

  • [備考] 京都大学 高橋 義朗:2013年度仁科記念賞 受賞

    • URL

      http://www.nishina-mf.or.jp/prize.html

  • [備考] 京都大学 段下一平:第8回(2014年) 日本物理学会若手奨励賞 受賞

    • URL

      http://www.jps.or.jp/activities/awards/jusyosya/wakate2014.html

URL: 

公開日: 2015-05-28  

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