| 研究課題/領域番号 |
26287087
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
小川 哲生 大阪大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (50211123)
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| 研究分担者 |
馬場 基彰 大阪大学, 基礎工学研究科, 研究員 (30647970)
弓削 達郎 静岡大学, 理学部, 助教 (70547380)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 非平衡開放系 / 量子凝縮 / 量子コヒーレンス / レーザー / 量子熱機関 / 超強結合量子系 |
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| 研究実績の概要 |
量子熱力学系の具体例としてレーザー系を考える。まず，共振器から光として放射されるエネルギーを全て仕事として勘定し，熱効率を計算するとカルノー効率を超えてしまう場合があるという結果が得られた。このため，放射光のエネルギーを仕事と熱に分ける必要がある。今年度，キャビティQED 系と熱浴や放射光を受け取る系（「ドレイン」と呼ぶ）が相互作用している系を考えた。通常は，熱浴とドレインの自由度を消去してキャビティQED 系の量子マスター方程式を得た後，その定常解における放射光としての（単位時間あたりの）流出エネルギーを計算する。しかし，この方法ではその流出エネルギーを仕事と熱に分解する指針は見えてこない。そこで，この流出エネルギーをドレインがどのような形で受け取るのかを調べた。ドレインの量子マスター方程式から，ドレインの時間発展がハミルトニアンで書ける部分と書けない部分に分解でき，それぞれの時間発展の仕方に対応したドレインへのエネルギー流入を仕事と熱に割り振ることが可能となる。このように定義した仕事と熱はフォトン場の振幅が非ゼロの部分とゼロの部分という直感的な分け方と整合している。
光と物質の相互作用によって，電磁場が熱平衡下にて自発的に期待値を獲得する超放射相転移は，熱力学と量子電磁力学を結びつけるコヒーレント現象として1970年頃から議論されてきた。昨年度から解析を進めてきた超放射相転移が起こりうる超伝導回路構造を提案した。また，相転移後に得られる量子力学的なコヒーレント状態はマクロな物理量で近似的に記述できる状態であり，本研究課題の目的であるマクロ量子論の確立に寄与するものである。また，光と物質が超強結合する系と外界とを繋ぐ際に，Maxwell境界条件という物理法則に基づいてマスター方程式を導出するとnon-Lindblad形式にならざるを得ないという結果を得た。
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| 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
昨年度までに引き続き，電子正孔光子系，レーザー系，超強結合量子系の3つのモデルを対象に研究を推進した。レーザー系を非平衡熱機関としてとらえた場合に，昨年度に課題として明らかになった「仕事と熱の切り分け」が，今年度の研究で解決した点は大きな進歩である。また，超放射相転移の出現が可能となる超伝導回路系を提案したことも，今年度の大きな成果であった。
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| 今後の研究の推進方策 |
レーザー系と超強結合量子系を量子熱機関と見なし，断熱近似が適用できない領域での量子マスター方程式を駆使した解析を行う。個々の各論から，量子熱機関あるいは非平衡熱機関の普遍的性質を導き出し，本研究課題の総括を行うとともに，次のステップに対する課題的を行う。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
異動を予定していた研究分担者の一人が，平成28年度も研究代表者と同じ機関に属したままであったため，当初に必要と考えていた経費を節約できた。さらに，最終年度（平成29年度）に研究分担者1名を新たに追加して，研究推進の増強と総括を図るため，その研究費用を確保しておく狙いもある。
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| 次年度使用額の使用計画 |
最終年度の平成29年度に，新しい数値計算手法を導入し，本研究プロジェクト全体の研究の増強と総括を図る。そのために，新たな研究分担者を追加して数値計算手法の拡張を行う。数値計算実施者（現研究分担者2名）がその手法も利用して，多角度からの数値計算を行い，複数の手法による数値計算結果と解析計算結果とを総合して，最終年度の研究総括に向かう計画である。
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