富田隆文 理学研究科博士課程学生、高橋義朗 同教授、段下一平 基礎物理学研究所助教らの研究グループは、レーザー光を組み合わせて作る光格子に極低温の原子気体（レーザー冷却、蒸発冷却などを施し、真空容器中の気体を絶対温度でナノケルビンの温度にまで液化?固化させることなく冷却させたもの）を導入し、周囲の環境との相互作用によるエネルギーや粒子の出入り（以下、散逸）が量子相転移（圧力や磁場などを変化させた際に量子力学的なゆらぎにより物質の状態が異なる状態へと変わること）に与える影響を観測することに、世界で初めて成功しました。
本研究成果は、2017年12月23日午前4時に米国の科学誌「Science Advances」に掲載されました。
研究者からのコメント
左から、段下助教、富田博士课程学生
极低温原子気体を用いた量子シミュレーションは21世纪に始まった比较的新しい研究方法で、いまなお大きな発展の可能性を秘めています。今回の研究でシミュレートした开放量子多体系のダイナミクスは、最先端のスーパーコンピューターや数値计算技术を駆使しても正确に再现することは不可能だという意味で、量子シミュレーションの格好のターゲットです。自前で発展させた量子シミュレーション技术で新奇な现象を开拓していくことは、基础物理学の醍醐味だと思います。今后もより高度な机能をもつ量子シミュレーターを开発し、新たな物理を探索していくつもりです。
概要
金属の中では、规则的にイオンが配列した结晶构造の中を电子が动き回っています。电子に代表されるような量子力学に従う粒子が多数集まり互いに相互作用している系を量子多体系といい、このような系で起こる物理现象を解明することは物质の性质を理解する上で非常に重要です。また、量子力学に従う物质で构成された系は、散逸の影响で容易にその状态が変わってしまうため、量子多体系に対して散逸がどのような影响を及ぼすかを明らかにすることは、物质中で起こる物理现象の理解や量子技术を用いたデバイスの开発にとって重要です。
本研究グループは、「モット絶縁体－超流动相転移」と呼ばれる量子相転移に対して、制御性の高い散逸を人工的に导入し、その影响を调べました。その结果、モット絶縁体状态から超流动状态への相転移が散逸によって妨げられ、超流动状态へと変化するダイナミクスに遅れが见られることが分かりました。この现象は、环境との相互作用によって原子が常に周囲から「见られている」ことが原因で起こる量子力学的な効果によるものです。
物质中で起きる复雑な物理现象を、人工的に作成した制御性の高い别のシステムを使ってシミュレートするこの実験は、量子シミュレーションと呼ばれています。本研究により、散逸を适切に导入することで量子多体状态を制御する基本的な技术が确立され、量子シミュレーション実験の范囲を散逸のある量子多体系にまで拡张することができたと言えます。
図：各格子点に一つずつ整列させた原子（左）は、隣の格子点へと移动すると分子を形成し（中央）、その后直ちに崩壊して环境へと飞び出す（右）。隣の格子点への移动を常に「见られている」ために、移动ができない。
详しい研究内容について
书誌情报
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Takafumi Tomita, Shuta Nakajima, Ippei Danshita, Yosuke Takasu and Yoshiro Takahashi (2017). Observation of the Mott insulator to superfluid crossover of a driven-dissipative Bose-Hubbard system. Science Advances, 3(12), e1701513.
