リープ型光格子中での超低温量子気体による遍歴強磁性の実現と解明

跳跃型光学晶格中超冷量子气体巡回铁磁性的实现和阐明

基本信息

批准号：
15J02035
负责人：
小沢秀樹
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2015
资助国家：
日本
起止时间：
2015-04-24 至 2018-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度は、光超格子による二重井戸型ポテンシャル中のSU(N)フェルミ原子系において短距離量子磁性を観測し、その結果を論文としてまとめて投稿した。光格子中の冷却原子系において量子相を探求する上での問題点は、エントロピーである。冷却原子系で確立されている冷却手法での到達温度は数十nK程度であり、実際の固体物質中の電子よりも十分に低いが、冷却原子系は希薄な気体であり密度が低いためフェルミ温度も数百nK程度になる。したがって、冷却原子系のエントロピーは固体物質中の電子系のそれよりもずっと高い。このような問題を回避する方法として、本研究では立方格子のうち1軸に強くdimerizeした光格子を用いることにした。Dimer内のトンネリングが大きくなるので、dimerの中での超交換相互作用エネルギーを高めることができ、dimer内において反強磁性的なスピン相関が現れる。このようにして、dimer内の短距離量子磁性の実現することに成功した。さらに本研究では、高いスピン自由度が量子磁性に与える影響を調べた。本研究で用いたイッテルビウム(Yb)のフェルミ同位体である173Ybは核スピンI=5/2をもっていて、SU(6)対称な斥力相互作用をもつという特徴がある。光ポンピングという技術を用いれば、核スピン成分操作が可能であり、系のスピン成分依存性を調べることができる。本研究では2成分スピン系と4成分スピン系を生成し、量子磁性の定量比較を行った。その結果として、4成分系の方が2成分系に比べて量子磁性が発達していることがわかった。これは高いスピン自由度が系のエントロピーを吸収し、系を冷却するというメカニズムのためであり、3Heの固体-液体転移におけるポメランチュク効果とのアナロジーと考えることができる。冷却原子系において量子磁性に対してポメランチュク効果を観測したのは、今回が最初の例である。

今年，我们在光学超晶格产生的双阱势中观察到了 SU(N) 费米原子系统中的短程量子磁性，并将结果作为论文提交。探索光学晶格冷原子系统中的量子相的一个问题是熵。冷原子系统已建立的冷却方法达到的温度约为几十nK，这比实际固体材料中电子的温度低得多，但冷原子系统是稀气体且密度低，因此费米温度也会为大约几百nK。因此，冷原子系统的熵远高于固体材料中电子系统的熵。作为避免此类问题的一种方法，在这项研究中，我们决定使用一种光学晶格，其中立方晶格的一个轴是强二聚化的。随着二聚体内的隧道效应增加，二聚体内的超交换相互作用能可以增加，并且二聚体内出现反铁磁自旋相关性。通过这种方式，我们成功地实现了二聚体内的短程量子磁性。此外，在这项研究中，我们研究了高自旋自由度对量子磁性的影响。 173Yb 是本研究中使用的镱 (Yb) 费米同位素，其核自旋 I=5/2，其特征在于 SU(6) 对称排斥相互作用。使用称为光泵浦的技术，可以操纵核自旋分量并研究系统对自旋分量的依赖性。在这项研究中，我们生成了一个二分量自旋系统和一个四分量自旋系统，并定量比较了它们的量子磁性。结果发现，四组分体系中的量子磁性比二组分体系中的量子磁性更加发达。这是由于高自旋自由度吸收系统熵并使其冷却的机制，可以与 3He 固液转变中的 Pomeranczuk 效应进行类比。这是首次在冷原子系统中观察到量子磁性的波美兰丘克效应。