Quantum many-body effects in optomechanics with ultracold atomic gases

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。

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。