2012年9月24日
このたび、田家慎太郎 理学研究科大学院生と高橋義朗 同研究科教授のグループは、レーザー光を用いて作成した人工の結晶の中に极低温の原子気体（図1）をとどめることで、これまで存在していなかった高いスピン対称性を持った新しい量子状态を作り出すことに世界で初めて成功しました。
本研究成果は、极低温にまで冷却された原子の状態を非常に高い精度で制御、観測することを可能とするだけでなく、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ーの実现に大きな役割を担うことが期待されます。
なお、本研究成果は、英国科学雑誌Nature Physics（ネイチャー?フィジックス）に9月23日（英国时间）に掲载されました。
図1：真空容器内のイッテルビウム原子気体
写真中央の緑色の小さな点が波长556ナノメートル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ます。原子気体は数ミリメートルのサイズです。
研究の背景
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（図2）、物質が低温で示す特異な性質を极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ます。本学では、よく用いられるアルカリ原子ではなく、様々なユニークな特徴を持つイッテルビウムという原子に着目し、この原子を极低温にまで冷却できる実験技術を開発してきました。今回、高いスピン対称性を持つイッテルビウム原子を光格子中に導入して、このイッテルビウム原子の状態を超高精度に制御?観測する実験を実施し、世界に先駆けた研究が実現しました。
図2：光格子とは
光格子ではレーザー光の强さにより、原子の动きを制御できます。
固体物质で主役を演じる电子は、スピン1／2を持ち、厂鲍（2）対称性を持つ系となります。このスピンを1／2より大きなものを考えた场合、厂鲍（狈）と言われる高いスピン対称性を持った系が考えられ、これまで理论的には大変兴味を持って研究されてきましたが、固体の系でこの厂鲍（狈）対称性を持った系を実现することは大変困难であり、実験的研究は行われてきませんでした。
研究の成果
今回、イッテルビウム原子に含まれるフェルミ同位体を极低温にまで冷却して光格子の中にとどめ、通常の固体物質系では極めて実現が難しく、これまで成功していなかった、SU（N=6）スピン対称性を持った新しい量子状态を作り出すことに世界で初めて成功しました。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）と呼ばれる性质が异なる2种类の粒子に区别されます（図3）。今回、イッテルビウム原子の豊富な同位体のうち、核スピン5／2を持つフェルミオンを光格子の中に导入しました。その结果、6成分のフェルミオンが格子点上に1个ずつランダムに入り混じった厂鲍（6）モット絶縁体が生成されていることを、今回の研究で确认しました（図4）。
図3：ボソンとフェルミオンとは
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全く异なった状态になります。
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ります。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きます。ボソンとフェルミオンのこのような性質の違いが极低温での物性に大きな影響を与えることが知られています。
モット絶縁体 量子力学の完成后、物质が金属であるか絶縁体であるかを判别する“バンド理论”が提唱されましたが、まもなくこの理论に従わない物质があることが分かりました。モット絶縁体はその一种で、电子间の相互作用が本质的に関与する例として今も盛んに研究されています。冷却原子でもこの状态をつくることができ、高温超伝导など、物性物理学の兴味深い谜を解明する足がかりになると考えられています。研究グループは従来のスピン2成分でなく、6成分を持つ新しいモット絶縁体を生成しました。 | ポメランチュク冷却 光格子中の原子の温度は光格子中の原子の分布と密接に関连しています。原子の分布は、エントロピー保存のルールで决まります。简単に言うと、あらかじめ决まっている”并べ方のパターン数”を确保するように原子を配置しなければいけません。スピンが6成分ある173驰产は、2个の原子を2个の格子点に置くだけで6×6=36通りを确保できますが、2成分の原子では5个以上の格子点に原子をばら撒いてやる必要があります。原子が隙间なく詰まっていたほうが温度が下がるので、スピンの成分数が多いほうが原子を冷やすのに有利です。研究グループはこの性质を使って173驰产を非常に効率よく冷却することに成功しました。&苍产蝉辫; |
 図4（补）：光格子中のモット絶縁体。モット絶縁体では、原子间の强い反発力によって原子が身动きの取れない状态になっています。これが“电流”を流さない絶縁体の性质の由来です。 |  図4（b）：(左) スピン2成分の原子を4個の格子点にばら撒く方法は24通りあります。一方、スピンが6成分あると格子点2個を使うだけで36通りのパターンが得られます。これが温度の違いにつながります。(右)温度測定の結果。6成分の系では2成分の系の半分以下の温度が得られています。 |
| 図4：モット絶縁体とポメランチュク冷却 | |
さらに、この実験において、ポメランチュク冷却という兴味深い冷却机构が働いていることを见出しました。ポメランチュク冷却は、もともと超流动ヘリウム3を実现する超低温を得るために开発された冷却法ですが、この6成分のフェルミ原子系の场合、非常に强力な冷却法となっていることを、スピン成分の数を変えた比较実験を行い、确认しました。これは、光格子中の冷却法として、新しい磁性相の実现にも威力を発挥すると期待されています。
今后の展开?波及効果
今回実現された高いスピン対称性をもった新しいモット絶縁体状態は、温度をさらに下げることで多様性に富んだ磁性の状態に移り変わっていくと考えられています。この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、物質系の磁性や超伝导などの研究に大きな进展をもたらすことが予想されます。今后は、原子気体を冷却する技术をさらに発展させ、物质の性质を决める原理の解明に向けた量子シミュレーターの実现を目指します。
论文名
[DOI]
An SU（6） Mott insulator of an atomic Fermi gas realized by large-spin Pomeranchuk cooling、
by Shintaro Taie, Rekishu Yamazaki, Seiji Sugawa and Yoshiro Takahashi
（顿翱滨：10.1038/苍辫丑测蝉2430）
大きなスピンのポメランチュク冷却によって実現したフェルミ原子気体の厂鲍（6）モット絶縁体
田家慎太郎、山崎歴舟、素川靖司、高桥义朗