京都大学 高橋義朗 理学研究科教授、素川靖司 同大学院生らの研究グループは、NTTとの共同研究で、レーザー光を用いて作成した人工の結晶の中に極低温の原子気体をとどめることで、これまで存在していなかった物質の新しい量子状態を作り出すことに成功したことを明らかにした。同成果は英国の科学雑誌「Nature Physics」に掲載された。

真空容器内のイッテルビウム原子気体。中央の緑色の点が波長556nmの緑色光を出して発光しているイッテルビウム原子の気体を表している。なお、原子気体は数mmのサイズ

近年、光格子と呼ばれる人工の結晶をレーザー光で作る技術が確立し、物質が低温で示す特異な性質を極低温の原子気体を使って調べようとする研究が注目を集めている。

京都大学では、イッテルビウムを極低温にまで冷却できる技術を有しているほか、NTTでは、数万個の原子が光格子の中で複雑に運動する様子を効率よく解析できる独自の数値計算技術を有しており、今回、光格子中のイッテルビウム原子の状態を高精度に制御・観測する実験を京大にて実施、その実験に対する理論計算をNTTが行った。

極低温の原子気体に対方向にレーザー光を照射させ、光の干渉により光格子と呼ばれる周期的な構造を作成する。光格子ではレーザー光の強さにより、原子の動きを制御することが可能

量子力学では、すべての粒子はボース粒子(ボソン)とフェルミ粒子(フェルミオン)と呼ばれる性質が異なる2種類の粒子に区別される。

絶対温度のゼロ度(絶対零度)では、ボソンとフェルミオンはまったく異なった状態となる。ボソンではすべての粒子が最低のエネルギー状態に落ち込んだ状態になる。一方、フェルミオンでは粒子数に応じて低いエネルギー状態から順に占有されていく。ボソンとフェルミオンのこうした性質の違いが極低温での物性に大きな影響を与えることが知られている

今回、イッテルビウム原子の同位体を利用して、ボソンとフェルミオンを光格子の中で混合させたところ、ボソンとフェルミオン間に働く相互作用および混合させる数に応じて、多様な量子状態が実現することが明らかとなった。特に、ボソンとフェルミオンが格子点上に1個ずつランダムに入り混じった混合モット絶縁体や、複数のボソンとフェルミオンが合わさって1つの粒子のようになった複合粒子状態は、今回の研究で確認された新しい量子状態だという。

新たしい量子状態の概要

今回、見出された極低温原子気体の新しい量子状態は、温度をさらに下げることで多様性に富んだ秩序状態に移り変わっていくと考えられるという。そのため、この秩序状態がどのようなメカニズムで出現するのかを解明することは、物質系の秩序状態である磁性や超伝導などの研究に進展をもたらすものと研究グループでは見ており、今後は、原子気体を冷却する技術を発展させ、物質の性質を決める原理の解明に向けた量子シミュレータの実現を目指すとするほか、将来的には光格子を量子コンピュータへの応用を可能とするため、原子の制御・観測方法の開拓を目指すとしている。