量子マグノニクスの創生

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26600071
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 中村 泰信 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (90524083)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 強磁性体 / マグノン / 強磁性共鳴 / ガーネット

研究実績の概要

巨視的な自由度としての強磁性体中の集団スピン励起の量子であるマグノンの量子状態を自在に制御する「量子マグノニクス」を提案し，それを実現した．強磁性絶縁体イットリウム鉄ガーネット（YIG）単結晶球を用いた実験を行い，当該年度には以下の成果を得た．
1．マイクロ波共振器モードを介したYIG球中のマグノンと超伝導量子ビット励起とのコヒーレントな結合を，マグノン真空ラビ振動として観測した．
2．上と同様の実験系において，YIG球中の励起マグノン数に応じて量子ビットが受ける離散的なACシュタルクシフトを観測し，それにより分裂したスペクトルの重みからマグノン数分布を観測した．マグノン励起マイクロ波強度に依存して，マグノン数分布がポアソン分布に従うことを見出した．
3．YIG球上のウィスパリングギャラリーモードに，テーパーナノファイバーを介して通信波長帯のレーザー光を結合し，室温下でマグノン励起と光との相互作用について調べた．マグノン誘起ブリルアン散乱のストークス成分とアンチストークス成分に大きな非対称性を見出し，その要因を光とマグノンの間のスピン角運動量保存則で説明した．

研究成果

• [国際共同研究] University of Sherbrooke(カナダ)
  • 国名: カナダ
  • 外国機関名: University of Sherbrooke
• [雑誌論文] Coherent coupling between a ferromagnetic magnon and a superconducting qubit (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Tabuchi, S. Ishino, A. Noguchi, T. Ishikawa, R. Yamazaki, K. Usami, and Y. Nakamura
  • 雑誌名: Science 巻: 349 ページ: 405-408
  • DOI: 10.1126/science.aaa3693
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 強磁性体と結合した超伝導量子ビットの真空マグノン誘起ラビ振動 (2016)
  • 著者名/発表者名: 田渕豊，石野誠一郎，石川豊史，野口篤史，山崎歴舟，宇佐見康二，中村泰信
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大，仙台
  • 年月日: 2016-03-20
• [学会発表] 超伝導量子ビットと強磁性体中の単一マグノンとのコヒーレント結合の実現 (2016)
  • 著者名/発表者名: 田渕豊
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大，仙台
  • 年月日: 2016-03-20
  • 招待講演
• [学会発表] 強磁性体中のマグノン数に依存した超伝導量子ビットの周波数シフトの観測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 石野誠一郎，Dany Lachance-Quirion，田渕豊，石川豊史，野口篤史，山崎歴舟，宇佐見康二，中村泰信
  • 学会等名: 日本物理学会第71回年次大会
  • 発表場所: 東北学院大，仙台
  • 年月日: 2016-03-20
• [学会発表] Observation of magnon number states in a superconducting qubit spectrum (2016)
  • 著者名/発表者名: D. Lachance-Quirion, Y. Tabuchi, S. Ishino, A. Noguchi, T. Ishikawa, R. Yamazaki, K. Usami, and Y. Nakamura
  • 学会等名: APS March Meeting 2016
  • 発表場所: Baltimore, USA
  • 年月日: 2016-03-15
  • 国際学会
• [学会発表] Magnonic systems in the quantum regime (2016)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakamura
  • 学会等名: Gordon Research Conference on Mechanical Systems in the Quantum Regime
  • 発表場所: Ventura, USA
  • 年月日: 2016-03-10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Cavity optomagnonics in a ferromagnetic sphere (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Osada, R. Hisatomi, A. Noguchi, Y.Tabuchi, R. Yamazaki, M. Sadgrove, R. Yalla, M. Nomura, K. Usami, and Y. Nakamura
  • 学会等名: Gordon Research Conference on Mechanical Systems in the Quantum Regime
  • 発表場所: Venture, USA
  • 年月日: 2016-03-09 – 2016-03-10
  • 国際学会
• [学会発表] ハイブリッド量子系を用いた光－マイクロ波量子インターフェイス (2016)
  • 著者名/発表者名: 中村泰信
  • 学会等名: 日本学術振興会光ネットワークシステム技術第171委員会公開研究会「量子スピン」
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2016-02-23
  • 招待講演
• [学会発表] 強磁性絶縁体中の量子マグノニクス (2016)
  • 著者名/発表者名: 中村泰信
  • 学会等名: 第14回 京都大学低温物質科学研究センター講演会・研究交流会
  • 発表場所: 京大，京都
  • 年月日: 2016-02-19
  • 招待講演
• [学会発表] Cavity optomagnonics using a whispering gallery mode resonator (2016)
  • 著者名/発表者名: A. Osada, R. Hisatomi, A. Noguchi, Y. Tabuchi, R. Yamazaki, K. Usami, M. Sadgrove, R. Yalla, M. Nomura, and Y. Nakamura
  • 学会等名: CEMS International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems (DAQS2016)
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 2016-01-12 – 2016-01-14
  • 国際学会
• [学会発表] Bidirectional conversion between microwave and light via ferromagnetic magnons (2016)
  • 著者名/発表者名: R. Hisatomi, A. Osada, Y. Tabuchi, T. Ishikawa, A. Noguchi, R. Yamazaki, K. Usami, and Y. Nakamura
  • 学会等名: CEMS International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems (DAQS2016)
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 2016-01-12 – 2016-01-14
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum magnonics with light (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Usami
  • 学会等名: CEMS International Symposium on Dynamics in Artificial Quantum Systems (DAQS2016)
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 2016-01-12
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Bidirectional conversion between microwave and light via ferromagnetic magnons (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Usami
  • 学会等名: International Workshop: Spin Energy Materials
  • 発表場所: Sendai, Japan
  • 年月日: 2015-12-03
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Hybrid quantum systems based on collective degrees of freedom in solids (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakamura
  • 学会等名: Asia-Pacific Conference and Workshop on Quantum Information Science 2015 (APCWQIS 2015)
  • 発表場所: Auckland, New Zealand
  • 年月日: 2015-11-30
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 固体中の集団励起自由度を用いたハイブリッド量子系 (2015)
  • 著者名/発表者名: 中村泰信
  • 学会等名: 第33回量子情報技術研究会 (QIT33)
  • 発表場所: NTT基礎研，厚木
  • 年月日: 2015-11-24
  • 招待講演
• [学会発表] Coherent coupling between a ferromagnetic magnon and a superconducting qubit (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Tabuchi
  • 学会等名: International Symposium on Nanoscale Transport and Technology (ISNTT) 2015
  • 発表場所: Atsugi, Japan
  • 年月日: 2015-11-20
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Observation of magnon number states in a superconducting qubit spectrum (2015)
  • 著者名/発表者名: D. Lachance-Quirion
  • 学会等名: INTRIQ Meeting on the Emergence of Quantum Information. A conference in honour of Gilles Brassard
  • 発表場所: Sherbrooke, Canada
  • 年月日: 2015-11-03
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Hybrid quantum systems based on collective excitations in solids (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakamura
  • 学会等名: Okinawa School in Physics: Coherent Quantum Dynamics (CQD2015)
  • 発表場所: Okinawa, Japan
  • 年月日: 2015-10-05
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Coherent coupling between ferromagnetic magnon and superconducting qubit (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Tabuchi, S. Ishino, A. Noguchi, T. Ishikawa, R. Yamazaki, K. Usami, and Y. Nakamura
  • 学会等名: The 5th International Conference on Quantum Cryptography (QCrypt 2015)
  • 発表場所: Tokyo, Japan
  • 年月日: 2015-09-29
  • 国際学会
• [学会発表] 強磁性体を用いた光-マイクロ波双方向変換 (2015)
  • 著者名/発表者名: 久富隆佑, 長田有登, 石野誠一郎, 野口篤史, 田渕豊, 石川豊史, 山崎歴舟, 宇佐見康二, 中村泰信
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学, 大阪
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [学会発表] 光のスピン-軌道結合を用いた共振器オプトマグノニクス (2015)
  • 著者名/発表者名: 長田有登, 久富隆佑, 野口篤史, 田渕豊, 山崎歴舟, 宇佐見康二, M. Sadgrove, R. Yalla, 野村政宏, 中村泰信
  • 学会等名: 日本物理学会2015年秋季大会
  • 発表場所: 関西大学, 大阪
  • 年月日: 2015-09-16 – 2015-09-19
• [学会発表] Quantum magnonics with a macroscopic ferromagnetic sphere (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakamura
  • 学会等名: SpinTech VIII International School & Conference
  • 発表場所: Basel, Switzerland
  • 年月日: 2015-08-10
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum Magnonics: Hybridizing Magnons with a Superconducting Qubit (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakamura
  • 学会等名: Gordon Research Conference on Spin Dynamics in Nanostructures
  • 発表場所: Hong Kong, China
  • 年月日: 2015-07-26 – 2015-07-31
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantum magnonics (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakamura
  • 学会等名: 30 years of Quantronics
  • 発表場所: Paris, France
  • 年月日: 2015-06-23
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Bidirectional conversion between microwave and light via ferromagnetic magnons (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Usami
  • 学会等名: ISSP International workshop on New Perspectives in Spintronic and Mesoscopic Physics (NPSMP2015)
  • 発表場所: ISSP, Kashiwa, Japan
  • 年月日: 2015-06-10 – 2015-06-12
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Cavity optomagnonics in a ferromagnetic sphere (2015)
  • 著者名/発表者名: A. Osada, R. Hisatomi, A. Noguchi, Y. Tabuchi, R. Yamazaki, M. Sadgrove, R. Yalla, M. Nomura, K. Usami, and Y. Nakamura
  • 学会等名: ISSP International workshop on New Perspectives in Spintronic and Mesoscopic Physics (NPSMP2015)
  • 発表場所: ISSP, Kashiwa, Japan
  • 年月日: 2015-06-10 – 2015-06-12
  • 国際学会
• [学会発表] Quantum magnonics in a cavity (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Nakamura
  • 学会等名: CIFAR Quantum Cavities Workshop
  • 発表場所: Aachen, Germany
  • 年月日: 2015-05-30
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Observation of magneto-optical effect with a spherical ferromagnetic-crystal optical cavity (2015)
  • 著者名/発表者名: A. Osada, R. Hisatomi, A. Noguchi, Y. Tabuchi, R. Yamazaki, M. Sadgrove, R. Yalla, M. Nomura, K. Usami, and Y. Nakamura
  • 学会等名: Optical Nanofiber Applications: From Quantum to Bio Technologies (ONNA2015)
  • 発表場所: Okinawa, Japan
  • 年月日: 2015-05-25
  • 国際学会
• [学会発表] レーザー光による物質の冷却と操作 (2015)
  • 著者名/発表者名: 長田有登
  • 学会等名: 国際光年記念シンポジウム ～ 国際光年記念式典～
  • 発表場所: 東京大学，東京
  • 年月日: 2015-04-21
• [備考] 超伝導量子ビットと磁石の球のコヒーレントな結合に初めて成功
  • URL: http://www.rcast.u-tokyo.ac.jp/pressrelease/pdf/270710release_rcast.pdf
• [備考] 中村・宇佐見研究室ホームページ
  • URL: http://www.qc.rcast.u-tokyo.ac.jp/