物性基礎工学研究グループ (田仲研)
 

冷却原子気体


 原子を光や磁場により真空中に捕獲し希薄な気体状態に保って冷却すると、固化・液化することなく気体のまま超低温に至ります。 近年、レーザー冷却・蒸発冷却の技術によりこのような超低温気体が実現し、人工的に自在に制御できる量子多体系として基礎研究・応用の両側面から注目を集めています。 例えば、原子気体系では相互作用の強さをはじめとして、次元性、化学ポテンシャル、内部自由度といった様々なパラメータを実験的に精密に制御できるという顕著な特徴がありますが、 これをボース凝縮やフェルミ対凝縮といった量子凝縮現象の研究に生かすことで、従来の電子物性で未到達の領域での物性研究が可能となります。 これまでに、BCS-BECクロスオーバーやカラー超伝導、量子相転移ダイナミクスなど多岐にわたる研究が行なわれており、実際に、フェルミエネルギーの10分の1程度の温度でフェルミ対凝縮が起こるという「高温」超流動現象も観測されました。 応用面においても、電子回路のように原子を輸送する「原子回路」により量子コンピュータを実装する試みや、光の代わりに原子波の干渉を利用して高感度ジャイロスコープを作成するという試みがなされています。 また、磁場や周波数の測定においては巨視的な数の原子が応答することにより感度が格段に高くなるため、高感度磁力計や原子時計を超える超高精度時計の開発といった応用も期待されます。 このように、操作性の高い多体量子系である冷却原子気体は、『人工量子気体』とも呼ばれ、状況設定次第で実に様々な物理現象を研究できる舞台となっています。 本研究室では、このような系を舞台に、数値シミュレーションによる定量的な計算から、トポロジー・ホモトピー・群論といった数理物理よりの研究まで、幅広く取り組んでいます。




ボース・アインシュタイン凝縮体(BEC)

 ボース粒子の集団を冷却すると、ボース・アインシュタイン凝縮が起こります。 ボース凝縮を起こした物質をボース・アインシュタイン凝縮体(BEC)と呼びます。 ひとたびボース凝縮が起こると、一つの一粒子状態に巨視的な数の粒子が凝縮するため、粒子集団が一つの波のように振る舞い、量子性が顕著に現れます。 古くからBECとして知られた超流動ヘリウムでは粘性ゼロで粒子が流れるという超流動現象が起こりますが、これも巨視的波動関数の帰結の一つです。 原子気体のBECでは、波動関数がレーザー等を用いて直接観測でき、2つのBECの干渉や渦の量子化といった物質波としての性質が実験で観測されています。


スピノールBEC

 原子気体では、異なる二種類のボース原子を混ぜてBECにしたり、単一の原子でもスピン状態の異なるものが混ざった状態でBECを作ったりすることができます。 このような内部自由度を持ったBECは、秩序変数(粒子の凝縮する波動関数)が多成分で書け、スピノールBECと呼ばれます。 特に、内部自由度が本物のスピンである場合には、スピン超流動という面白い状況が実現し、粒子と同様にスピンが散逸なく輸送されたり、スピンの空間変化により粒子の流れが生じたりします。 最近では、スピン軌道相互作用を人工的に作り出すことで、スカーミオン格子等の非自明なスピンの空間構造やトポロジカル絶縁体と同様の非自明なバンド構造が現れることが議論されています。


図:スピン軌道相互作用により生じたスピンのカゴメ格子構造

ダイポールBEC

 電気的に中性な原子ではクーロン相互作用が働かないため、一般に2原子が実質同じ場所に来たときのみ相互作用が働きます。 しかし、原子が大きな磁気モーメントを持つ場合には、磁気双極子‐双極子相互作用が支配的となり、従来の原子気体とは全く異なる振る舞いが期待されます。 近年、Cr, Er, Dyといった磁気モーメントの大きな原子のBECが実現し、新しい物性を示す凝縮体として注目されています。 特に、スピン自由度を持ったBECではスピンの方位が空間変化することにより超流動が生じ、スピン、軌道、ゲージの自由度の複雑に絡み合った現象が起こります。 例えば、磁場中で一様にスピン偏極した原子気体を用意した後、磁場を切ると、スピン角運動量が軌道角運動量へと転化し、凝縮体は回転を始めます。 これは、双極子相互作用がスピンと軌道の自由度を結合していることの帰結です。


トポロジカル励起

 トポロジカル励起とは、渦や単極子、スカーミオンなど、系のトポロジーにより守られた安定なエネルギーの塊で、超流動、液晶などの物性物理から素粒子論まで自発的に対称性の破れた系に普遍的に存在します。 スピノールBECでは物質により様々な対称性を持った凝縮相が実現することから、トポロジカル励起の様々な性質が理論・実験の両側面から研究可能となっています。 例えば、下図はエネルギーがリング状に溜まるノット励起を表したものです。これは量子色力学における低エネルギー励起として予言されたものですが、スピノールBECを用いて実現可能であることが示されました。


図:ノット励起のスピン構造



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2013 Tanaka Lab.