高橋義朗 物１量子光学研究室

12/10 (2013) 現代物理学講義

yitk@scphys.kyoto-u.ac.jp

5-203号室

http://yagura.scphys.kyoto-u.ac.jp/

超低温量子気体が拓く 新しい強相関量子多体系の物理

The Nobel Prizes in Physics 2012

S. Haroche D. Wineland

"for ground-breaking experimental methods that enable

measuring and manipulation of individual quantum systems"

量子光学の発展

Ion trap

光時計（量子論理分光法）

f(Hg+)/f(Al+) : 10-17 yr/10)3.26.1(/ 17

△f/f : ~ 10-17!

３３ｃｍの高さの違い

hvmc 2zg

c

hvzmgE

2

cmz 33@ 181033

f

f

E

E

Cavity-QED （共振器量子電磁気学）

量子フィードバック制御

スピン集団に対する

量子フィードバック制御

The Nobel Prizes in Atomic Physics

R. Glauber J. Hall T. Hänsch

2005 Quantum Optics, Laser Spectroscopy

A. Schawlow

1981 Nonlinear Laser Spectroscopy

2001 Atomic BEC

E. Cornell C. Wieman W. Ketterle

S. Chu C. Cohen-Tannoudji W. Phillips

1997 Laser Cooling

N. Ramsey H. Dehmelt

1989 High-Resolution Spectroscopy, ion trap

Outline

イントロダクション

原子の冷却・トラップ

凝縮系の量子シミュレーション

光格子中の冷却原子

レーザー冷却・トラップ

３次元的な不均一(=空間的に変化する）磁場によるゼーマン効果を利用

空間のある領域に閉じ込める（＝トラップ）することが可能

磁気光学トラップ（Magneto-Optical Trap:MOT)

CCD

原子数= 108

温度 T=12μK

10mm

原子のMOT コイル

コイル

レーザー冷却・トラップ

シシフォス

シシフォス（Sisyphus)冷却

反跳限界温度：

M

kTk RB

2

)( 2

TR ~ 数100 nK

シシフォス（Sisyphus)冷却

吸収 自然放出 吸収 自然放出

P’(<P) P’’(<P’)

吸収 自然放出

Ee

Eg1

Eg2

P

レーザー冷却・トラップ

光が原子に及ぼす力：双極子力

強度が空間的に極大または極小を持つようなレーザービームを

用いることで、トラップすることが可能

光双極子相互作用： EpV int

2

)()(

2rErU pot

レンズ

“光格子”

λ/2

)(sin)( 2 xkVxV Loo

量子原子気体 !

運動量分布 [E. Cornell et al, (1995)]

87Rb

“ボースアインシュタイン凝縮”

Spatial Distribution [R. Hulet et al, (2000)]

6Li and 7Li

空間分布 [R. Hulet et al, (2000)]

“フェルミ縮退”

光による原子のイメージング

プローブ光

Iincident(x,y)

レンズ

CCD

Itransmission(x,y)

冷却原子

Time-of-Flight Image:

t=0で、原子をトラップから開放

t=tTOF後の原子の分布を観測

運動量分布を反映

中性原子の対生成による超流動

電子の２つの状態

（ ）に引力が働いて

対を形成（クーパー対）

金属の超伝導：抵抗がゼロ

中性原子の超流動：

原子の２つの状態

（ ）に引力が働いて

対を形成（クーパー対）

分子のBEC

フェッシュバッハ共鳴

)2

exp(3.0sF

FBCSak

TT

光格子量子シミュレーション

λ/2

光格子の中を運動する原子

固体：結晶格子の中を運動する電子

)(sin)( 2 xkVxV Loo

一つのゴール： 高温超伝導（銅酸化物）の量子シミュレーション

[in T. Moriya and K. Ueda, Rep. Prog.Phys.66(2003)1299]

(キャリアードーピング) (キャリアードーピング)

SC SC

AF

ホール 電子 ホール 電子 x

固体実験 数値計算

一つのゴール： 高温超伝導（銅酸化物）の量子シミュレーション

リープ型光格子の実現

A

C

B

174Yb原子の

物質波干渉

パターン

“CuO2 面 （d-p モデル）”

(CT型超交換相互作用）

[E. H. Lieb, PRL 62, 1201 (1989)]

A

C

B

“flat-band ferromagnetism” “CuO2 plane (d-p model)”

Realization of Non-standard lattice: “Lieb Lattice”

A

B

B

)2

21()(4 2

2

BA UU

tJ

AB VV

,AU BU : On-site(A, B) interaction

: potential difference

02 BU

Resonant Tunneling:

BU2AU

A A B

A A B

一つのゴール： 高温超伝導（銅酸化物）の量子シミュレーション

次世代量子シミュレーター

各格子点の単一原子観測 &操作!

2次元系

0

1S

2

3 Pm=+2

m=+1

m=0 m=-1

m=-2

B 3大きい磁気モーメント

i

i

x

j

z

ji

i

z

ij

i

z

i

zrot StSSr

SH )()cos31(2

)(,

2

3

2

“準安定状態を利用した断熱量子計算” 量子アニーリング：回転系断熱消磁：量子スピンシミュレーター

“光格子中量子多体系の量子フィードバック制御”

jS

iS

jiU

JH

,

24

T > Jex=4J2/U

量子非破壊測定と量子フィードバック制御

171Yb

スピン集団

量子気体顕微鏡＝破壊測定

“光格子中量子多体系の量子フィードバック制御”

D. Wineland

量子論理分光＝

量子スワップゲート

＋破壊測定

(Al++ Be+)

1層目

2層目

“C-NOT Gates (=QND)

by Controlled Collision”

光格子版量子論理分光＝

C-NOTゲート＋破壊測定

(171Yb+ 174Yb)

究極の非平衡量子多体状態生成と制御 孤立量子系の非平衡統計力学

実験装置

その他の研究： 量子磁性（SU(6)、平坦バンド強磁性） 不純物問題（アンダーソン局在） 人工ゲージ場（スピン軌道相互作用）

新奇BCS状態

格子ゲージ理論のシミュレーター

…

20

25

15

10

5

0 10-12 10-9 10-6 10-3

λ [m]

r

er

MGMrV 1)( 21

VS

近距離重力補正項の検証

量子気体

BEC, Fermi縮退, BCS

量子コンピューター

レーザー冷却

< 1µK 光周波数計測・標準

δf/f< 10-17

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

“原子・光の極限的量子制御”

光

原子

光の量子制御

原子の量子制御