| 研究課題/領域番号 |
25220711
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| 研究機関 | 京都大学 |
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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)
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| 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 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (10263063)
段下 一平 京都大学, 基礎物理学研究所, 助教 (90586950)
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| 研究期間 (年度) |
2013-05-31 – 2018-03-31
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| キーワード | 量子エレクトロニクス / 冷却原子 |
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| 研究実績の概要 |
研究代表者のグループがこれまで推進してきた2電子系原子の量子気体研究の成果を踏まえて、光格子中の超低温原子気体を用いた量子凝縮相に関する独創的な物性研究を格段に発展させることを目的としている。今年度、理論グループと実験グループが協力して各項目の研究テーマを推進することができた。以下、各テーマごとに研究実績の概要を記述する。
まず、「トポロジカル量子物理」については、トポロジカル超流動の実現に向けて、電子基底状態と電子励起状態からなるフェッシュバッハ分子の直接光生成、および磁場掃引による高効率生成に成功した。さらにスピン軌道相互作用の実装を確認した。また、サウレスのトポロジカルポンピングを世界で初めて実証した。「量子磁性」の新しい手法の開拓として、Yb原子の大きな磁気双極子相互作用に基づく量子アニーリング法に着目し、量子揺らぎの導入などに成功した。「非標準型格子の特異なバンド構造」については、リープ型光格子を実現し、平坦バンド中の冷却原子について、局在性、相互作用のある系のバンド構造、平坦バンド中の原子の安定性、など、基本的振る舞いを明らかにした。また、「新奇超流動現象」の発現が期待される平坦バンド上の状態に原子を準備することに成功した。また、YbLiを用いて、「不純物量子シミュレーター」の系を準備することに成功した。「さらにYb原子の「量子気体顕微鏡」を開発することに成功し、光格子中の孤立原子を格子点を分解して観測することに成功した。また、より非破壊的な測定である分散を利用したファラアー量子気体顕微鏡を開発することに世界で初めて成功した。さらに、量子測定理論を適用した最新の理論研究に基づいて解析を行い、原子数分布に関する実時間ダイナミクスを明らかにすることに成功した。これらは、上記の本研究テーマに役立つだけでなく、他の系にも広く波及することが期待される。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
当初の提案に沿った研究を順調に進めることができた。これに加えて、理論分担者（藤本、段下）との議論から、「トポロジカルチャージポンピング」「量子アニーリング法による量子磁性」「新奇超流動現象としての平坦バンド超固体相の発現」といった、興味深い新たな可能性も見出されており、さらに「非破壊的量子気体顕微鏡の開発」といった新しい実験手法の可能性も出てきて、非常に発展性に富む展開をしてきている。
具体的な研究の進捗状況として、まず、原子数の増大、および低温化につながる実験的な進展では、捕獲可能な原子速度の領域を増大させることができたことを挙げることができる。これは、今後の実験において有効に利用できる。また、トポロジカル超流動の実現を目指した第一歩として、１次元光格子トラップ中での人工スピン軌道相互作用の実装に成功し、その安定性を調べた。また、「量子磁性」の研究に関連して、準安定状態の持つ大きな磁気双極子モーメントに着目した、量子アニーリングの実験を進めた。これは、量子断熱計算機の開発にも関連する、波及効果の大きい研究である。特に、この系の寿命について、非常に強い散逸過程の存在のためかえってロスが抑えられる量子ゼノ効果を明らかにした。これはまた、散逸のある場合の新しい「新奇超流動現象」の研究にもつながるものを考えられる。さらに、これまでに実現した、「リープ格子」の平坦バンドの性質について、基本的性質を明らかにすることができ、今後の「新奇超流動現象」の研究の基礎を築くことができた。また、「不純物問題の量子シミュレーターの開発」では、光格子中を遍歴するLi原子によって、Yb原子が非弾性衝突をすることを明らかにした。さらに、「量子気体顕微鏡」の開発について大きく前進することができ、ほぼ格子定数の空間分解能で、単一のYb原子からの発光信号を得ることに成功した。
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| 今後の研究の推進方策 |
以下、各テーマごとに今後の推進方策を記述する。どのテーマについても、理論分担者との密接な議論を通じて、テーマ設定および実験結果の検討を行っていく。
まず、「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」を駆使して高効率なフェッシュバッハ分子を生成し、これと超低温フェルミ粒子への超狭線幅光学遷移による人工スピン軌道相互作用の導入を組み合わせ、さらに低温化を図り、理論分担者（藤本）らの提案する「基底状態と準安定状態という異なる電子軌道間クーパー対によるトポロジカルフェルミ超流動」の実現を試みる。さらに、新しいトポロジカル物理の研究にも着手する。また、準安定状態における非常に大きな2体損失に着目して、“散逸により増強された強相関Mott絶縁体相“の観測を試みる。これは、散逸の効果が強相関量子状態の安定化に寄与するという、新しい方向性の研究である。
さらに、これまでに実現した、「リープ格子」について、理論分担者（段下）との議論を通じて、特定の擬運動量状態の平坦バンドにおいて発現が期待されている、超固体などの新奇量子多体状態の直接確認を試みる。
以上の研究と同時に,これまでにほぼ実現した「特殊光学発光イメージングによる超高空間分解能観測」についてさらに性能向上を図るとともに、吸収や分散型の相互作用など、様々な観測方法を駆使した新しい手法の量子気体顕微鏡の開発を進める。さらに、画像解析についても、最新の量子測定理論に基づく手法を適用して、実時間ダイナミクス等の解明につなげる。
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