2016 Fiscal Year Annual Research Report
Non-equilibrium Dynamics in Multi-component Bose-Einstein Condensates
| Project Area | Synergy of Fluctuation and Structure:Foundation of Universal Laws in Nonequilibrium Systems |
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| Project/Area Number |
25103007
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| Research Institution | Gakushuin University |
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Principal Investigator |
平野 琢也 学習院大学, 理学部, 教授 (00251330)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
斎藤 弘樹 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (60334497)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | 冷却原子 / ボース・アインシュタイン凝縮 / スピノール / 非平衡現象 / 磁気双極子相互作用 / 量子ゆらぎ / 層流-渦糸乱流転移 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
学習院大学実験グループでは、理論グループと共同で研究を行い、スピン１とスピン２の混合スピノールBEC系については、２つのスピンの相対的な角度や方向を制御する方法を提案・実証した。スピン２BECを用いた実験では、磁気副準位が mF=0 のみを占有する状態を準備し、その後のスピノールダイナミクスを観測したところ、100ms程度の時間スケールで、強磁性スピンの基底状態へと時間発展することを見出した。また、２次元的に広がりを持った形状のBECの実現に向けて、光トラップ装置の改良を行った。
電通大理論グループでは、スピン１のBECにRashba型のスピン軌道相互作用と磁気双極子相互作用を入れて葉巻型のトラップでの基底状態を調べ、スピン渦のらせん構造など新奇な基底状態を見出し、基底状態の相図を明らかにした。励起子ポラリトン凝縮体における同期現象では、あるパラメータ領域で一様な励起子ポラリトン凝縮体が不安定になる事実に着目し、波束が自ら定常的に回転運動を行う現象を見出した。さらに二つの回転運動する波束を接近して置くと、周波数同期および位相同期が発生し、それらの波束が揃って回転するという同期現象が起こることを明らかにした。強く磁気双極子相互作用するBECの自己束縛状態に関する研究では、経路積分モンテカルロ法を用いて量子多体計算を行い、系の定性的性質を変えるほど量子ゆらぎの効果が大きいことを示した。
学習院大学グループの理論面での研究では、超流動体における層流-渦糸乱流転移の非平衡臨界現象の研究を行い、一連の研究に一つの区切りができたので、論文にまとめて発表した。また、より広範囲のパラメータ空間で同じ普遍性が本当に出るのか、より頑強な議論ができるよう引き続き数値計算を進めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では、学習院大学と電気通信大学の実験・理論グループの共同で研究を行い、当初予想していなかった現象を見出すなど、当初の計画以上の成果を得ることができた。スピン１とスピン２の混合スピノールBEC系においては、２つのスピン間の相互作用により誘起されるスピン１歳差運動のdephasing及びrephasingの観測にも成功した。スピン２BECの実験では、磁気副準位がmF=0 というバイアス磁場周りに回転対称な初期状態から時間発展させたとき、バイアス磁場に対して垂直方向の磁化が自発的に形成されるという当初予想しなかった現象を見出した。現在この観測された新奇な緩和過程の解明に向けて、理論グループと共同で研究を進めている。
電通大理論グループによる研究では、スピン１のBECの葉巻型のトラップでの基底状態について、スピン軌道相互作用による短軸面内にスピンテクスチャを作る傾向と、磁気双極子相互作用による長軸に沿ってパターンを形成する傾向の相乗効果によりスピン渦のらせん構造など新奇な基底状態を見出し、基底状態の相図を明らかにした。励起子ポラリトン凝縮体においては、エネルギー注入と散逸のある系に特有な自励振動を見出し、さらに、周波数同期および位相同期が発生し、それらの波束が揃って回転するという同期現象が起こることを明らかにした。強く磁気双極子相互作用するBECでは、平均場近似を用いないで厳密な量子多体計算を行うことにより、系の定性的性質を変えるほど量子ゆらぎの効果が大きいことを示した。
学習院大学グループの理論面での研究では、渦密度の高い状況下では、発達乱流の研究で得られている Kolmogorov 則が現れ、クエンチのシミュレーションでは、特異な 2 段階緩和が起きるという興味深い結果を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
学習院大学の実験グループでは、損失のある量子系における自発磁化の研究、２次元的な広がりを持つトラップ中の相分離ダイナミクスの研究、ラビカップリングした多成分BECの時間発展に関する研究等を行う。損失のある量子系における自発磁化の形成は昨年度発見した非常に興味深い現象であり、今後、初期状態やバイアス磁場等のパラメータ依存性を実験的に解明する。相分離ダイナミクスの研究では、昨年度までに整備した光双極子力トラップの形状の制御技術を用いて、スピノールBECのダイナミクスのトラップ形状依存性を明らかにする。学習院大学の理論グループでは、引き続き量子乱流のシミュレーションを行う。特に、パラメータ空間を拡大して、どこまで普遍的に渦糸乱流転移の普遍クラスが保たれるか確かめる。また、学習院大学の実験グループで行われる実験結果に即したシミュレーションを行い、理論的に実験結果のサポートを行う。
電気通信大学の理論グループでは、数値シミュレーションを用いた実験のサポート、および多成分BECに関する理論的研究を行う。学習院大学の実験でスピン１と２の混合BECの生成と制御が可能になってきたが、その基底状態は知られていない。多数の相互作用パラメータによってスピン１・２混合系の基底状態がどのように分類されるかを明らかにする。また、それぞれの相においてどのようなトポロジカル励起が可能かを調べる。さらに、前年に引き続いてスピン軌道相互作用するBECの研究も行う。前年度の研究で量子渦の性質がスピン軌道相互作用によって大きく変化することが明らかになった。この研究をさらに押し進め、スピン軌道相互作用するBECの中を障害物ポテンシャルが移動したときの量子渦発生のダイナミクスを調べる。加えて、学習院大学の実験グループが実施する実験に合わせたシミュレーションを行うことで実験結果を解析したり新たな実験の提案を行う。
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