京大,観測による量子多体状態の制御技術を確立

京都大学の研究グループは,レーザー光を組み合わせて作る光格子に極低温の原子気体を導入し,周囲の環境との相互作用によるエネルギーや粒子の出入り(以下,散逸)が量子相転移に与える影響を観測することに世界で初めて成功した(ニュースリリース)。

金属の中では,規則的にイオンが配列した結晶構造の中を電子が動き回っている。電子に代表されるような量子力学に従う粒子が多数集まり互いに相互作用している系を量子多体系といい,このような系で起こる物理現象を解明することは物質の性質を理解する上で非常に重要になる。

また,量子力学に従う物質で構成された系は,散逸の影響で容易にその状態が変わってしまうため,量子多体系に対して散逸がどのような影響を及ぼすかを明らかにすることは,物質中で起こる物理現象の理解や量子技術を用いたデバイスの開発にとって重要となる。

研究グループは,光格子中に捕捉された極低温イッテルビウム原子に対して散逸を与える特殊なレーザーを照射
し,量子多体系への影響を調べた。具体的な量子相転移現象として,光格子中のボース粒子系で現れる「モット絶縁体―超流動相転移」を採用した。

この転移では,光格子の各格子点が十分に深いとき,同じ格子点に同席した原子同士はお互いに反発しエネルギーが上昇するため,同席する原子の数をなるべく減らし,原子は各格子点に決まった数だけ局在した「モット絶縁体状態」と呼ばれる状態となる一方で,光格子を浅くして隣の格子点との間の障壁を下げると,原子が格子点間を動き回る「超流動状態」へと相転移する。

散逸の導入には,レーザー光を照射することで2つの原子を結合させて人工的に分子を作る,光会合という技術を用いる。同じ格子点に同席した(「2重占有」になった)2つの原子は,光会合を起こすために照射するレーザー光(光会合光)を吸収して分子になり,その後の崩壊の際に放出するエネルギーによって,原子は周囲の環境へと吹き飛ぶ。

このプロセスにより,同席した原子を選択的に除去することができる。光会合を起こす頻度は,光会合光の強度を変えて調整することができるため,散逸の大きさを制御することができる。

この実験では,1格子点あたり1原子が局在しているモット絶縁体状態を初期状態として,光会合光を照射しながら光格子の深さを浅くした。その結果,光会合光による強い散逸を導入した場合には,モット絶縁体状態から超流動状態への相転移が散逸によって妨げられ,超流動状態へと変化するダイナミクスに遅れが見られることが分かった。

この現象は,観測を頻繁に行なうと量子力学的なダイナミクスが抑えられる「量子ゼノ効果」によるもの。光格子中の原子集団は,2重占有ができているかどうかを光会合によって常に観測されている状態にあるため,隣の格子点に原子が飛び移って同じ格子点に2つ原子が同席するプロセスが起こりにくくなり,結果的に,原子が格子点間を動き回る超流動状態へと移りにくくなってしまう。

物質中で起きる複雑な物理現象を,人工的に作成した制御性の高い別のシステムを使ってシミュレートするこの実験は,量子シミュレーションと呼ばれている。この研究により,散逸を適切に導入することで量子多体状態を制御する基本的な技術が確立され,量子シミュレーション実験の範囲を散逸のある量子多体系にまで拡張することができたとしている。

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