青学ら,フラストレート量子シミュレーション提唱

青山学院大学,近畿大学,理化学研究所(理研)の研究グループは,負温度の原子気体が,物性物理学における難題である「量子磁性体におけるフラストレーションの効果」を解明するためのシミュレーターとして機能することを示した(ニュースリリース)。

量子多体系の中でも特に理論的な解析が困難なものとして,フラストレートした量子磁性体が知られている。研究では,光格子中の原子気体を用いてフラストレートした量子磁性体を量子シミュレーションするための方法を提唱した。

今回の研究のカギの一つが負の絶対温度の物質。通常の物質は正の絶対温度に落ち着いてしまうが,光トラップや磁気トラップによって超高真空中に閉じ込めて作成されるため,光格子中のボース気体では安定な負温度状態が実現されている。

そして,このボース気体を用いて磁性体を量子シミュレーションするためのもう一つのカギは「物質波の位相」。光格子の各格子点にあるボース気体の波動関数はそれぞれが一つの複素数であるため位相を持つ。これを磁性体中の電子スピンに見立てることが,ボース気体を用いて磁性体を模倣する常套手段となる。

研究では,光格子の中で負温度のボース気体を作る具体的な方法を示した。ボース気体の位相は全ての格子点で揃うが,これは磁性体でいう強磁性状態(磁石)にあたる。それとは対照的に,負の絶対温度でかつ絶対零度に近い温度の場合,原子同士が互いに引き合い,トラップポテンシャルの頂上付近に位置するという通常のボース気体が不安定化する状況で安定化する。さらに,ボース気体の位相の構造から,当該系がフラストレーションを持っていることもわかる。

続いて,量子ゆらぎを増大させ,超流動相から絶縁体相への量子相転移が引き起こされることを示した。精密な計算機シミュレーションにより,量子ゆらぎとフラストレーションの複合効果でこの量子相転移の転移点が大きく変化することを明らかにした。ここで決めた転移点は,将来の量子シミュレーション実験に対するベンチマークとしてとても有用だという。

研究の提案が将来の量子シミュレーション実験で実現されれば,量子磁性体におけるフラストレーションの効果という物性物理学における難問を解決する糸口になると期待される。また,この研究によって,負の絶対温度という基礎物理学的な概念の量子シミュレーターの高機能化における有用性も示された。

近年,量子シミュレーターに利用できるほどの制御性をもつ量子プラットフォームが急速に増えてきており,負温度という概念の応用がこれらの量子デバイス開発に新たな潮流を生む可能性があるとしている。

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