Quantum many-body effects in optomechanics with ultracold atomic gases

超冷原子气体光力学中的量子多体效应

基本信息

批准号：
21K03421
负责人：
金本理奈
金额：
$ 1.66万
依托单位：
Meiji University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

冷却原子気体や誘電体微粒子を用いたオプトメカニクスは、熱源との接触無しに光で振動子を捕捉・浮遊が可能であり優れたコヒーレンス特性を有するため超精密測定等の量子技術応用への期待が高まっている。しかし既存研究は主にオプトメカニカル結合のみに由来するダイナミクスの解明に注力しており、他種の相互作用の評価は不十分であった。本研究では多体系の運動状態の制御技術とオプトメカニカルセンシング感度の向上を目的として、光共振器中にトラップされた原子気体のボース・アインシュタイン凝縮体(BEC)や微粒子を用いたオプトメカニクスにおける多体相互作用や異種物質間の相互作用が物質の重心運動のダイナミクスに及ぼす影響を解明する。2022年度は次の研究を実施した。１）円環上の原子気体超流動流と、ポンプ光・プローブ光との結合を利用することで、量子コヒーレンス効果の一つであるオプトメカニカル誘導透明化の観測や、光の群速度の制御が高精度で可能となることを理論的に提唱した。特にプローブ光の透過スペクトルのピーク位置や形状が超流動速度を反映すること、更に超流動流の角運動量の値によって光の群速度を速める・遅らせるという制御ができることを見出した。この成果は超流動流のプローブ法や光の群速度の制御に新しい手法を加えるものである。２）昨年度に引き続き、誘電体微粒子と中性原子の相互作用を解析した。2022年度は特に共振器内にトラップした誘電体ナノ粒子と単一原子の複合量子系に対して、共振器電磁場を断熱消去できる領域で、電磁場に媒介されるナノ粒子-原子間の有効相互作用を定式化した。有効ハミルトニアンと散逸を考慮した量子マスター方程式を導出し、これらに基づいてナノ粒子と原子間の量子エンタングルメントおよび振動量子状態の状態転送の忠実度について調べた。

使用冷却的原子气体和介电细胞颗粒的光学力学使振动器可以捕获并悬浮在没有与热源的无接触的情况下悬浮，并且具有出色的相干性能，因此人们对量子技术应用（例如超精确测量）的期望越来越高。但是，现有的研究主要集中在仅根据光学结合而得出的动力学，而对其他物种之间的相互作用的评估则不足。在这项研究中，为了控制多体系统的运动状态并提高光学传感敏感性，我们将澄清多体相互作用的影响以及使用Bose-Einstein冷凝物（BEC）和光学机械物质之间的不同物质之间的相互作用的效果，而原子气体的精细颗粒则在光学共振剂中陷入了材料中心的动力学。在2022年：1）从理论上提出的是，通过利用原子气体超氟在圆形环上与泵和探针光的偶联，可以观察到磁机械诱导的透明度，即量子相干性效应之一，并控制光的速度及准确性。特别是，发现探针光的透射光谱的峰位置和形状反映了超流体速度，并且可以通过增加或延迟通过超级流动流的角动量的值来增加或延迟光的群体速度来实现控制。该结果添加了探测超级流体流和光速度的新方法。 2）从去年开始，我们分析了介电颗粒与中性原子之间的相互作用。在2022财年，我们制定了电磁场介导的纳米颗粒和原子之间的有效相互作用，尤其是用于介电纳米颗粒的复合量子系统和被困在谐振器内的单个原子的复合量子系统，在共振器电磁场可以被抹掉的区域中。考虑了有效的哈密顿量和耗散的量子主方程，并基于这些方程，研究了纳米颗粒和原子之间的量子纠缠的保真度，并研究了振荡量子状态的状态。