2018 Fiscal Year Annual Research Report
Addressing Quantum Many-Body Dynamics by Ultrafast Coherent Control with Attosecond Precision
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16H06289
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| Research Institution | Institute for Molecular Science |
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Principal Investigator |
大森 賢治 分子科学研究所, 光分子科学研究領域, 教授 (10241580)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
豊田 晴義 浜松ホトニクス株式会社, 中央研究所, 研究主幹 (80393940)
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| Project Period (FY) |
2016-04-26 – 2021-03-31
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| Keywords | 超高速コヒーレント制御 / アト秒 / 量子多体問題 / 量子シミュレーター / 極低温リュードベリ原子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１）光格子によって配列されたルビジウム（Rb）・リュードベリ原子集団の電子ダイナミクスを高精度に観測・制御する手法の開発を進め、これを用いて超高速量子シミュレーションを妨げる主要な要因の一つであるイオン化現象を制御することに成功した。
２）前年度に続き、浜松ホトニクス（HPK）グループと共同でRb原子集団の局所的な励起や観察、および原子の任意配列トラップのための装置開発を進めた。HPKグループで開発を進めているホログラムによる原子配列の任意制御技術「ホログラフィック3次元原子トラップ技術」をこの開発中の装置に適用し、Rb原子集団を任意配列する実験に成功した。またHPKグループでは、平成29年度に導入した真空蒸着装置を用いて原子トラップ専用空間光変調素子や特殊光学薄膜を試作し、分子研グループの装置開発に貢献した。
３）超高速量子シミュレーターの読み出しインターフェースであるアト秒精度の時間領域ラムゼイ干渉法において、世界最高レベルの確度に相当するほぼ100%のコントラストを達成した。この成果を、米国物理学会の旗艦誌であるPhysical Review Letters誌に出版した［Phys. Rev. Lett. 121, 173201 (2018)］。
４）米国化学会の旗艦誌であるAccounts of Chemical Research誌の依頼を受けて、超高速量子シミュレーターとアト秒コヒーレント制御についてのこれまでの成果をまとめた解説論文を出版した［Acc. Chem. Res. 51, 1174 (2018)］。
５）超高速量子シミュレーターに関する米国特許を出願し、日本・米国特許出願が公開された［特開2018-180179; 公開日: 2018年11月15日］［US 2018/0292786 A1: Publication date : Oct. 11, 2018］。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
１）トラップ用レーザー・励起用レーザーのモニタリングや精密空調による実験環境の温度安定化を通して精密実験の為のシステム整備を進め、さらにイオンカウンティングによる精密データ計測を活用し、光格子によって配列されたルビジウム（Rb）・リュードベリ原子集団の電子ダイナミクスを高精度に観測・制御する手法を確立した。これを用いて超高速量子シミュレーションを妨げる主要な要因の一つであるイオン化現象を制御することに成功した。
２）Rb原子集団の局所的な励起や観察、および原子の任意配列トラップのために必要なレーザー冷却・トラップ用の光学系を完成させ、真空装置を立ち上げた。そしてHPKグループと緊密に連携し、原子の任意配列トラップのための空間光変調器(SLM)を分子研グループに導入し、Rb原子集団を任意配列トラップする実験に成功した。
３）HPKグループでは、強集光領域での光パターン生成確認実験等により、ホログラフィック3次元原子トラップ技術の開発を進めた。また、原子トラップの光波長に対応した特殊SLMを試作するとともに、量子シミュレーターで使用される紫外～赤外広帯域の光波長に対応した特殊反射防止コーティングを設計・作製した。
４）本研究で開発する超高速量子シミュレーターの装置構成について、日本および米国特許出願が公開され、製品化の可能性も確保しつつ、円滑な研究開発に向けて環境を整備した。
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| Strategy for Future Research Activity |
光トラップ中に配列された極低温Rb原子集団をピコ秒パルスレーザーでリュードベリ電子状態に励起する事によって強相関電子系を創り出す事が出来る。この強相関電子系の多体波動関数の時間発展（ダイナミクス）を観測・制御する事を目指す。
分子研グループでは平成30年度に引き続き、原子を規則正しく配列する手法の一つとして光格子トラップを利用する。光格子トラップは現有の波長1064nmの高出力連続波レーザーを用いて構築する。この光格子トラップにボーズ・アインシュタイン凝縮した高密度のRb原子集団を導入する事によってRb原子を3次元立方格子状に配列する。このRb原子集団に波長779nmおよび481nmの2色のピコ秒レーザーパルス（ポンプパルス）を照射し強相関リュードベリ状態へと二光子励起する事で、原子間相互作用を制御する。さらに、遅延をつけた同一のレーザーパルス（プローブパルス）を照射し、多体波動関数の超高速ダイナミクスを観測する。ポンプパルスとプローブパルスの時間間隔はアト秒精度で安定化され、原子集団中の1フェムト秒周期の超高速・多体電子運動をアト秒精度で観測・制御することが出来る。また、平成30年度に引き続き、光トラップ中のRb原子集団の局所的な励起や観察を可能にする光学系を備えた実験装置の開発をHPKグループと共同で進める。また、この装置に組み合わせる、原子集団の任意配列トラップの高度化をHPKグループと共同で進める。
HPKグループでは平成30年度に引き続き、ホログラフィック3次元原子トラップ技術の開発および周辺光学技術の整備を進める。分子研の装置設計を補佐するとともに、実験で用いる様々な光波長に対応した特殊仕様光学薄膜の設計と作製を行う。また、ナノメートル領域で任意の原子配列を実現するためのホログラム技術開発も継続し、分子研で構築する超高速量子シミュレーター装置への導入を目指す。
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| Remarks |
平成30年11月4日の中日新聞・静岡新聞で本課題に関連する報道があった。経産省ものづくり白書（平成30年5月29日発表）の第３章・第3節において本課題の「超高速量子シミュレーター」が取り上げられた。
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[Presentation] Ultrafast quantum simulator with ultracold Rydberg atoms in an optical dipole trap2018
Author(s)
N. Takei, C. Sommer, C. Genes, G. Pupillo, A. Tanaka, M. Mizoguchi, Y. Zhang, S. Takeda, H. Goto, K. Koyasu, H. Chiba, M. Weidemueller, and K. Ohmori,
Organizer
The 2nd International Symposium on Advanced Photonics, Hotel Kokonoe, Hamamatsu, Japan
Int'l Joint Research
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[Presentation] Ultrafast many-body electron dynamics in a strongly correlated ultracold Rydberg gas and its application to ordered systems2018
Author(s)
A.Tanaka, N. Takei, C. Sommer, C. Genes, G. Pupillo, S. Takeda, M. Mizoguchi, Y. Zhang, K. Koyasu, H. Chiba, M. Weidemueller and K. Ohmori
Organizer
ICAP 2018, Palau Congressos Barcelona, Barcelona, Spain
Int'l Joint Research
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[Presentation] Development of an ultrafast quantum simulator with ultracold Rydberg atoms in an optical lattice2018
Author(s)
M. Mizoguchi, A. Tanaka, N. Takei, Y. Zhang, S. Takeda, C. Sommer, K. Koyasu, H. Chiba, T. Kishimoto, G. Pupillo, M. Weidemueller, and K. Ohmori
Organizer
The 2nd International Symposium on Advanced Photonics, Hotel Kokonoe, Hamamatsu, Japan
Int'l Joint Research
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[Presentation] Rydberg excitation of a Bose-einstein condensate and mott insulator with a picosecond laser pulse2018
Author(s)
M. Mizoguchi, A. Tanaka, N. Takei, Y. Zhang, S. Takeda, K. Koyasu, H. Chiba, T. Kishimoto, G. Pupillo, D. Jaksch, M. Kiffner, A.W. Glaetzle, J. Schachenmayer, G. Masella, M. Weidemueller, and K. Ohmori
Organizer
ICAP 2018, Palau Congressos Barcelona, Barcelona, Spain
Int'l Joint Research
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