研究内容 / Research

複数のレーザー光を干渉させることで、"光格子"と呼ばれる周期的なポテンシャルを生成します。この光格子の中に、レーザー冷却によって極低温(数十nK)に到達した原子気体を導入します。原子は光格子の中のサイトを飛び回ります (Fig. a)。これをトンネリング J と呼びます。また、複数の原子が同じサイトを占有すると、原子間相互作用を感じます。これをオンサイト相互作用 U と呼びます。このような光格子中の冷却原子の振る舞いは、JとUをパラメータとするハバードモデルで記述されます。ハバードモデルは量子多体系を記述するモデルとして有名ですが、一般に古典コンピュータで数値的に解くとこは困難です。そこで、光格子中の冷却原子を使った実験により、ハバードモデルの”解”を導きます。このように、ある量子系を別の量子系を使って調べる方法を量子シミュレーションといいます。これが研究の方針になります。

光格子に導入する原子種に依って、ボース凝縮気体もしくはフェルミ縮退気体を選ぶことができます。また、レーザー光を120°の相対角度で干渉させたり、格子間隔の異なる光格子を重ねることで(Fig. b)、三角格子やカゴメ格子(Fig. c)といった様々な形状の光格子を生成することができます。

We can create a periodic potential called "optical lattice" by making laser beams interfere with each other. We introduce into the optical lattice laser-cooled ultracold atoms whose temperature is as low as tens of nK. Each atom in the optical lattice moves around from one site to another (Fig.a). This is called tunneling and its amplitude is defined as J. Also, when two or more atoms occupy the same site, they feel an inter-atomic interaction, which is called on-site interaction and defined as U. The behavior of cold atoms in an optical lattice is said to be described by the Hubbard model with J and U the model's parameters. While the Hubbard model is widely believed to well describe quantum many-body systems, numerically solving it on classical computers is intractable. Then, we use ultracold atoms in an optical lattice to get a "solution" of the Hubbard mode. The idea of using a controllable quantam system to investigate a similar but more complicated quantum system is called "Quantum simulation". This is the direction of my research.

Depending on which atomic species to introduce into an optical lattice, we can choose to use a Bose-Einstein condensate gas or a Fermi-degenerate gas. What's more, making laser beams interefered at 120° relative angles or superimposing optical lattices with different lattice constants (Fig.b), we can realize various lattice geometries such as triangular lattice and Kagome lattice (Fig.c).

スピン間に反強磁性的な相互作用がある場合、隣り合うスピンは互い違いになろうとします。正方格子にこのようなスピンを導入した場合、全てのスピンは反強磁性的配置を満足することができます。一方で、三角格子の場合、部分的に反強磁性的配置を作ることはできますが、全てのスピンを満足させることはできません。このような系をスピン-フラストレート系といい、スピン液体などの興味深い物性を示すことが予想されています。三角光格子中の冷却原子により、量子スピン-フラストレート系を実現し、その相図を描くことが研究目標の1つです。

Provided that there is an antiferromagnetic (AF) interaction between spins, neighboring spins prefer different ones. If these spins are introduced into a square lattice, all of them can satisfy the AF spin configuration. In the case of a triangular lattice, however, not all of the spins can satisfy it, feeling frustration. Such a system is called spin-frustrated system and expected to show interesting physical phases such as spin liquid. One of our research goals is to realize the quantum spin-frustrated system by means of cold atoms in an optical triangular lattice and to draw its phase diagram.

通常のコサイン型のバンド構造では、ボース・アインシュタイン凝縮体(BEC)はエネルギーが一番低いバンドの底に分布します (Figure a)。では、バンドがフラットの場合には、BECはどこに分布するのか、そもそもBECするのか、というのは興味深い疑問です(Figure b)。理論によれば、単一粒子描像では平坦なバンド構造が、原子間相互作用により歪められて、エネルギーが低い点にBECすることが予想されています。また、超流動相と固体相が共存する超固体相の存在も示唆されています。カゴメ光格子中の冷却原子により、平坦バンド中のボース気体の振る舞いを調べることが別の研究目標です。

In a usual cosine band structure, a Bose-Einstein condensate (BEC) populates at the bottom of it (Fig.a). On the other hand, it is a fascinating question where a BEC populates in a dispersionless band, or whether a BEC can occur in the band (Fig.b). According to some theories, it is expected that an inter-atomic interaction distorts the band which is originally flat in the regime of single particle and that a BEC happend at a quasimomentum for the lowest energy of the distorted flat band. The existence of the exotic phases like supersolid, where superfluidity and solidity coexists, is also predicted in the system. Revealing the behavior of a bose gas in a flat band of Kagome lattice is our another research goal.

量子気体顕微鏡(QGM)とは、光格子中の原子を単一原子・単一格子点レベルで観測する技術です。原子に共鳴光を照射し、各原子からの発光を高分解能な対物レンズで集光します。QGMは、光格子中の原子を使った量子シミュレーションにおいて必須の技術になっています。私の所属する研究室(量子多体ダイナミクス研究ユニット)では、三角格子中の冷却原子に対して、QGMを構築しています。QGMを使うことで、相分離の可能性といった系の詳細な情報を得られるので、精密な相図が描くことができると考えています。

A quantum gas microscope (QGM) is the technique to observe atoms in optical lattices with every atom at every site resolved. In the measurement, we apply resonant lasers to the atoms and collect photons from each atom through a high-NA objective lens. The QGM is consired to be imperative to quantum simulation using cold atomic gas in optical lattices. In the laboratory I belong to, Quantum Many-Body Dynamics research unit, we have tried to combine the QGM with cold atoms in an optical triangular lattice. The QGM provides us with detailed information of the quantum system including the possibility of phase separation and enables us to draw an accurate phase diagram.