市 民 講 座 11/29 2014 冷 えた 原 子 でつくる 新 しい 物 質 の 状 態 高 橋 義 朗 京 都 大 学 大 学 院 理 学 研 究 科 物 理 学 宇 宙 物 理 学 専 攻 物 理 第 一 分 野 量 子 光 学 研 究 室 http://yagura.scphys.kyoto-u.ac.jp
多 様 性 極 低 温 原 子 がもたらす 物 性 物 理 学 の 新 展 開 レーザー 冷 却 トラップ: ボース アインシュタイン 凝 縮, フェルミ 原 子 超 流 動 光 格 子 中 の 冷 却 原 子 : 強 い 相 関 を 持 った 原 子 集 団 大 きなスピン 自 由 度 を 持 った 系 人 工 的 に 極 めて 高 い 磁 場 が 印 加 された 状 態 各 格 子 点 の 単 一 原 子 の 観 測 と 制 御 素 粒 子 理 論 のシミュレーション
中 性 原 子 のレーザー 冷 却 法 の 開 発 1997 S. Chu, C. Cohen-Tannoudji, W. D. Phillips 気 体 の 原 子 の 温 度 を 冷 やすに 重 要 な 役 割 を 果 たしているのが レーザー 冷 却 です これにより 原 子 温 度 =1マイクロケルビン=0.000001ケルビン 相 互 作 用 時 間 >1 時 間 光 による 原 子 の 運 動 のコントロール が 可 能 になりました 私 達 はこん な 装 置 を 使 って 原 子 を 冷 やして います
磁 気 光 学 トラップ レーザー 冷 却 トラップ コイル CCD レーザー 光 コイル
3 cm 原 子 数 :10 7 密 度 : 10 11 /cm 3 温 度 :10µK
レーザー 冷 却 トラップ 磁 気 光 学 トラップ 光 トラップ U pot ( r) E( r) 2 2 コイル CCD レーザー 光 500 mm 磁 気 トラップ V m B int コイル
( 超 低 温 の) 原 子 は 量 子 力 学 に 従 う ドブロイ 波 長 ヤングの2 重 スリット λ db =h/p h:プランク 定 数 p: 原 子 の 運 動 量 http://ja.wikipedia.org/wiki/%e 3%83%A4%E3%83%B3%E3 %82%B0%E3%81%AE%E5 %AE%9F%E9%A8%93
原 子 気 体 のボース アインシュタイン 凝 縮 の 実 現 レーザー 冷 却 の 技 術 を 駆 使 して 1995 年 に 実 現 したルビジウム 金 属 の 原 子 のボース アインシュタイン 凝 縮 は100 nk という 非 常 に 低 い 温 度 で 実 現 しました! 気 体 を 冷 却 していくと 液 体 へ そして 固 体 へと 変 化 するはずで すが この 凝 縮 体 の 原 子 の 密 度 は 低 く あくまで 気 体 のままです 気 体 の 過 冷 却 した 寿 命 の 長 い 特 別 な 状 態 が 原 子 気 体 のボース 凝 縮 であると 言 えます 高 温 低 温 極 低 温 原 子 はランダム に 熱 運 動 をする l db 低 温 になった 原 子 では 波 動 性 が 顕 著 に 表 れる l db 互 いの 波 が 重 なり 合 い 量 子 力 学 的 相 転 移 が 起 きる l db
下 の 図 はRb(ルビジウム) 原 子 の 速 度 分 布 の 変 化 を 示 しています 左 から 右 に 行 くにつれて 原 子 の 温 度 は 低 くなっています [M. H. Anderson, et al, Science, 269, 198(1995)] 量 子 力 学 によれば 原 子 には ボース 粒 子 と フェルミ 粒 子 ( 電 子 のなかま) の2 種 類 があります 超 低 温 で ボース 粒 子 はボース アインシュタイン 凝 縮 を 起 こしますが フェルミ 粒 子 はどんな 現 象 が 起 こるでしょうか?
固 体 の 超 伝 導 :ペアーになった 電 子 の 凝 縮 H. Kamerlingh Onnes, Akad. Van Wetenschappen 14, 113 818 (1911) http://commons.wikimedia.org/wiki/file:meissner_effect_p13 90048.jpg#mediaviewer/File:Meissner_effect_p1390048.jpg Bardeen-Cooper-Schriefer 理 論 格 子 振 動 を 媒 介 とした 引 力 http://www.phys.shimaneu.ac.jp/mutou_lab/ zakki/super/pair/pair_const.html
フェッシュバッハ 共 鳴 超 低 温 原 子 間 の 相 互 作 用 をコントロール ポイント! 斥 力 相 互 作 用 の 大 きさ 0 引 力 + 原 子 が 衝 突 する ときに 一 瞬 だけ 分 子 になることが 関 係 しています 磁 場 の 大 きさ
中 性 フェルミ 原 子 の 対 生 成 による 超 流 動 強 い 引 力 弱 い 原 子 対 を 分 子 に 変 換
中 性 フェルミ 原 子 の 対 生 成 による 超 流 動 強 い 引 力 弱 い 原 子 対 が ボース アインシュタイン 凝 縮 原 子 対 がランダムな 熱 運 動 原 子 対 を 分 子 に 変 換 原 子 対 の 運 動 量 分 布 の 測 定 C. Regal, et al,prl (2004)
多 様 性 極 低 温 原 子 がもたらす 物 性 物 理 学 の 新 展 開 レーザー 冷 却 トラップ: ボース アインシュタイン 凝 縮, フェルミ 原 子 超 流 動 光 格 子 中 の 冷 却 原 子 : 強 い 相 関 を 持 った 原 子 集 団 大 きなスピン 自 由 度 を 持 った 系 人 工 的 に 極 めて 高 い 磁 場 が 印 加 された 状 態 各 格 子 点 の 単 一 原 子 の 観 測 と 制 御 素 粒 子 理 論 のシミュレーション
光 が 作 る 周 期 構 造 : 光 格 子 λ/2 光 格 子 の 中 を 運 動 する 原 子 左 図 のように レー ザー 光 を 鏡 で 反 射 さ せると 光 の 強 度 が 周 期 的 に 変 化 した 定 在 波 ができます 原 子 にとっては これ は 周 期 的 なポテン シャルと 感 じます こ れが 光 格 子 です 固 体 : 結 晶 格 子 の 中 を 運 動 する 電 子
隣 の 格 子 点 へ(トンネル) 移 動 J
粒 子 間 の 相 互 作 用 U
隣 の 格 子 へ (トンネル) 移 動 格 子 の Quantum 中 を 運 動 Simulation する 粒 子 集 団 (ハバードモデル) J U 粒 子 間 の 相 互 作 用 量 子 シミュレーター Feynman λ/2 http://ijinwarosu. seesaa.net/article /169371287.html
いろいろな 原 子 を 利 用 することができる
蜂 の 巣 格 子 カゴメ 格 子 http://en.wikipedia.org/wiki/graphene 多 様 な 光 格 子 三 角 格 子 http://extreme.phys.sci.kobe-u.ac.jp/extreme/student/2007/tomoo/crystal_gallery.html http://hiroi.issp.u-tokyo.ac.jp/data/crystal_gallery/crystal_gallery-pages/image31.html リープ 格 子
高 温 超 伝 導 物 質 をより 忠 実 に 再 現 したモデル 酸 素 : 銅 : http://www.spring8.or.jp/ja/news_publications/press_release/2005/050810/
新 しい 物 質 の 状 態 極 低 温 に 冷 えた 原 子 の 集 団 を 使 うことによって 極 めて 高 い 制 御 性 で 新 しい 物 質 の 状 態 を 作 り 出 すことができるよ うになり 物 性 物 理 学 に 新 展 開 をもたらしています 強 い 相 関 を 持 った 原 子 の 集 団 ボース 粒 子 とフェルミ 粒 子 の 混 合 系 大 きなスピン 自 由 度 を 持 った 系 長 距 離 で 相 互 作 用 を 及 ぼしあう 粒 子 の 系 人 工 的 に 極 めて 高 い 磁 場 が 印 加 された 状 態
強 い 相 関 を 持 った 原 子 の 集 団 1) ボース アインシュタイン 凝 縮 体 の 生 成 2) 光 格 子 へ 導 入 λ/2 3) 光 格 子 から 解 放 4) 飛 行 時 間 T 後 の 原 子 分 布 測 定 プローブ 光 運 動 量 分 布 の 観 測 時 間 T カ メ ラ
強 い 相 関 を 持 った 原 子 の 集 団 小 光 格 子 ポテンシャルの 深 さ:V 0 U/J 大 多 重 スリットからの 回 折 干 渉 運 動 量 分 布 の 観 測 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/phyopt/mulslid.html#c4 干 渉 のピーク: 原 子 波 の 位 相 がそろっている( 超 流 動 ) 証 拠
粒 子 間 の 相 互 作 用 大 :U >> J
http://www.nndb.com/people/913/000099616/ 粒 子 間 の 相 互 作 用 大 :U >> J 格 子 点 に 局 在 強 い 相 関 : 隣 に 原 子 があるから 隣 にいけない モット 絶 縁 体 http://www.nndb.com/people/913/000099616/ N. F. Mott
強 い 相 関 を 持 った 原 子 の 集 団 小 光 格 子 ポテンシャルの 深 さ:V 0 U/J 大 運 動 量 分 布 の 観 測 超 流 動 状 態 モット 絶 縁 体 U/J: 小 U/J: 大
新 しい 物 質 の 状 態 極 低 温 に 冷 えた 原 子 の 集 団 を 使 うことによって 極 めて 高 い 制 御 性 で 新 しい 物 質 の 状 態 を 作 り 出 すことができるよ うになり 物 性 物 理 学 に 新 展 開 をもたらしています 強 い 相 関 を 持 った 原 子 の 集 団 ボース 粒 子 とフェルミ 粒 子 の 混 合 系 大 きなスピン 自 由 度 を 持 った 系 長 距 離 で 相 互 作 用 を 及 ぼしあう 粒 子 の 系 人 工 的 に 極 めて 高 い 磁 場 が 印 加 された 状 態
電 子 はスピン( 内 部 自 由 度 )が2 成 分 ある 原 子 は 内 部 自 由 度 が 多 い 例 : ( 原 子 は 電 子 と 原 子 核 からできています) 173 Yb 原 子 :スピンが6 成 分 http://www.yonden.co.jp/life/kids/museum/survey/atomic_basis/003.html さらに 対 称 性 が 高 い SU(6) 対 称 性
SU(N) 対 称 性 とスピンの 量 子 状 態 N=2の 場 合 : 長 距 離 の 磁 気 秩 序 ( 反 強 磁 性 ネール 秩 序 ) N>2になると 量 子 揺 らぎが 大 きくなり 長 距 離 の 磁 気 秩 序 が 失 われる!? A. V.. Gorshkov et al, Nature Physics, 6, 289 (2010) P. Corboz et al, Phys. Rev. X 2, 041013 (2012) P. Corboz et al, PRB 86, 041106(R) (2012)
新 しい 物 質 の 状 態 極 低 温 に 冷 えた 原 子 の 集 団 を 使 うことによって 極 めて 高 い 制 御 性 で 新 しい 物 質 の 状 態 を 作 り 出 すことができるよ うになり 物 性 物 理 学 に 新 展 開 をもたらしています 強 い 相 関 を 持 った 原 子 の 集 団 ボース 粒 子 とフェルミ 粒 子 の 混 合 系 大 きなスピン 自 由 度 を 持 った 系 長 距 離 で 相 互 作 用 を 及 ぼしあう 粒 子 の 系 人 工 的 に 極 めて 高 い 磁 場 が 印 加 された 状 態
エネルギー 2 次 元 平 面 を 運 動 する 電 子 に 高 磁 場 を 加 えると 磁 場 B ローレンツ 力 :F=qv B サイクロトロン 運 動 ω c =qb/m 量 子 ホール 効 果 が 現 れます! ħω c ħω c P. M. Paalanen et.al. PRB (1982) B=0 B 0
2 次 元 平 面 を 運 動 する 中 性 原 子 に 高 磁 場 を 加 えると 何 も 起 きない : 電 荷 q=0! 実 効 的 に 磁 場 を 生 成 させることが 可 能!! y J J exp(iθ) Z // B x パイエルス 位 相 と 呼 ばれています θ B
レーザー 光 レーザー 光 レーザー 光 J J exp(iθ)
実 効 的 な 強 磁 場 の 生 成 [M. Aidelsburger, et al., APB113,1(2013)] Φ 実 効 的 な 磁 束 の 大 きさ 特 徴 的 な 干 渉 パターンの 観 測
多 様 性 極 低 温 原 子 がもたらす 物 性 物 理 学 の 新 展 開 レーザー 冷 却 トラップ: ボース アインシュタイン 凝 縮, フェルミ 原 子 超 流 動 光 格 子 中 の 冷 却 原 子 : 強 い 相 関 を 持 った 原 子 集 団 大 きなスピン 自 由 度 を 持 った 系 人 工 的 に 極 めて 高 い 磁 場 が 印 加 された 状 態 各 格 子 点 の 単 一 原 子 の 観 測 と 制 御 素 粒 子 理 論 のシミュレーション
各 格 子 点 の 単 一 原 子 の 観 測 [WS. Bakr, et al, Nature 462(426), 74-77(2009)]
制 御 のための レーザー 光 とマイクロ 波 各 格 子 点 の 単 一 原 子 の 操 作 [C. Ewitenberg et al, Nature 471, 319(2011)]
超 流 動 -モット 絶 縁 体 量 子 相 転 移 の 観 測 超 流 動 モット 絶 縁 体 [WS Bakr, et al., Science 329, 547(2010)]
BECの 密 度 揺 らぎ 空 間 R 格 子 ゲージ-ヒッグスモデルの 量 子 シミュレーション Kasamatsu et al, PRL 111, 115303(2013) ヒッグス 相 : exp(-mr)/r クーロン 相 : 1/R 閉 じ 込 め 相 : R
極 低 温 原 子 がもたらす 物 性 物 理 学 の 新 展 開 レーザー 冷 却 トラップ: ボース アインシュタイン 凝 縮, フェルミ 原 子 超 流 動 光 格 子 中 の 冷 却 原 子 : 多 様 性 : さまざまな 原 子 さまざまな 格 子 強 い 相 関 を 持 った 原 子 集 団 : 超 流 動 ーモット 絶 縁 体 転 移 大 きなスピン 自 由 度 を 持 った 系 :SU(N) 磁 性 人 工 的 に 極 めて 高 い 磁 場 が 印 加 された 状 態 各 格 子 点 の 単 一 原 子 の 観 測 と 制 御 素 粒 子 理 論 のシミュレーション
[I. Bloch et al, RMP80,885(2008)] 光 周 波 数 計 測 標 準 δf/f< 10-17 レーザー 冷 却 < 1µK 重 力 シフト 物 理 定 数 の 時 間 変 化 量 子 光 学 量 子 エンタングルメント 量 子 テレポーテーション 光 の 量 子 制 御 光 原 子 原 子 の 量 子 制 御 量 子 気 体 BEC, Fermi 縮 退, BCS 量 子 コンピューター 原 子 光 の 極 限 的 量 子 制 御