科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業(ERATO)
上田マクロ量子制御プロジェクト
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| 1.相互作用制御 |
| 2.不確定性制御 |
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「相互作用制御：新しい極低温量子系の開発」
グループリーダー：井上慎
ビジョン：
レーザー冷却が開発された当時、研究の焦点のひとつはいかに原子と光の相
互作用を制御するかでした。一本のレーザー光が１個の原子と何万回という
光の吸収・放出サイクルを途切れることなく行うようにするのは決して簡単
なことではありません。原子の超微細構造や磁気副準位、そしてレーザー光
の周波数や偏光を詳細に制御することで、室温の原子を一気にミリケルビン
まで冷却し、真空槽の内部に３次元的に閉じ込めることが可能になりま原子と光の相互作用の理解が進んだことによるも
のです。
近年のボーズアインシュタイン凝縮体(BEC)やフェルミ縮退ガス(DFG)に代表
される極低温原子の研究においては、外場によって原子間の相互作用を直接
に制御することが可能であることが示され(Feshbach共鳴:
右図)、種々の新しい物
性研究に道を開きました。引力相互作用下で大きなBECが崩壊する様子や
BCS-BEC crossoverの観測などはこの原子間相互作用の制御なしにはあり得
なかったものです。
上に見てきたように、相互作用の理解と制御は本質的に重要です。これまで 極低温原子系の研究は非常な成功を収めてきましたが、極低温原子であるが 故の限界も存在します。それは相互作用が衝突によるものに限られるという ことです。極低温の衝突で生じる散乱波は等方的なs波に限定されます。ま た、原子を格子に閉じ込めた場合、離れたサイトにいる原子が直接相互作用 することは許されません。
これに対し、相互作用制御グループでは新しいタイプの相互作用をする物質 、すなわち、極性分子を極低温の世界に導入することを試みます。極低温の 極性分子は新しいマクロな人工量子物質であり、その開発は次のような意義 をもちます。
- 長距離の相互作用をする新しい量子ガス：極性分子は双極子モーメントをも つため、双極子ー双極子相互作用で力を及ぼしあいます。この力は長距離で も働くため、この系では一部の揺らぎが容易に全体に波及します。
- 異方性のある相互作用の探求：これまで広く研究されてきた固体物性と多く の共通点を持ちます。完全な格子(光格子)のもとで極低温でこれまでの研究 成果を実現することは、新しい物性を探求する上で非常に重要です。
- 振動外場による双極子ー双極子相互作用の制御：振動する外場を与えて時間 平均することで、非常に短い時間スケールで相互作用をコントロールするこ とができます。これはNMRで使われている手法の応用です。
- 新しいタイプの化学：極低温極性分子の開発の出発点は２種の極低温原子で す。実験ではFeshbach共鳴と光遷移を用いて原子を会合させる予定です。２ 種の原子の外部自由度と内部自由度をすべて制御して新しい分子を作成する ことは、化学反応の究極的な制御と言えます。
このように極低温の極性分子の開発は、困難ではありますが、豊富な将来性 をもつと言えます。
研究プラン：
極低温の極性分子の開発には大きく分けて２つの方法があります。
- （１）高温の極性分子を出発点とし、極低温まで冷却を試みる方法（直接法 ）
- （２）極低温まで冷却された原子を出発点とし、会合させる方法（間接法）
当グループでは（２）の方法を用います。この方法で大きな問題となるのが 会合の方法です。従来、このような原子を組み合わせる操作にはレーザー光 を使うPhoto associationが有力でした。ここで本グループではFeshbach共 鳴を用いる方法に注目します。Feshbach共鳴は原子２つの束縛状態、すなわ ち分子の状態を利用することで原子間の相互作用をコントロールしようとい うものでした。従って、同じ磁場領域で磁場をゆっくりと掃引すれば、断熱 的に原子を原子のペア、すなわち分子に変換することができるはずです。実 際、この手法はひとつの種類からなる原子に応用され、リチウムの２原子分 子やルビジウムの２原子分子をつくるのに用いられました。本グループでは 混合気体へこの方法を応用する予定です。 さらに得られた分子を基底状態に変換するために最も効率的な方法を探索し ます。現在、有力な候補は断熱的な２光子遷移です。
さらに詳細なプランを知りたい方はグループリーダーまでご連絡ください。
- S. Inouye et al., "Observation of heteronuclear Feshbach resonances in a Mixture of Boses and Fermions." Phys. Rev. Lett. 93, 183201 (2004).
- S. Inouye et al., "Observation of vortex phase singularities in Bose-Einstein condensates." Phys. Rev. Lett. 87, 080402 (2001).(link)
- S. Inouye et al., "Observation of phase-coherent amplification of atomic matter waves." Nature 402, 641-644 (1999).(link:preprint)
- S. Inouye et al., "Observation of Feshbach resonances in a Bose-Einstein condensate." Nature 392, 151-154 (1998).(link)