Theoretical study of open quantum many-body systems in strongly correlated ultracold atoms

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本研究課題では、冷却原子気体において実験的に実現される開放量子多体系を記述する理論を発展させることを目的としている。2022年度に発表した主要な成果は以下のものである。(1)開放量子多体系のデコヒーレンス過程を記述する新しいタイプの準粒子を見出し、「インコヒーレントン」と名付けた。この準粒子は、開放量子系の時間発展の生成子であるリウビリアンの散逸項が非エルミートな相互作用項と見なせることに起因した、密度行列のブラ自由度とケット自由度の間の束縛状態として記述される。位相緩和による散逸下の1次元ハードコアボソン系をBethe仮設法を用いて厳密に解くことにより、このような準粒子の存在とその束縛・非束縛転移の存在を示した。(2)2体ロスのあるフェルミ超流動体を記述する非エルミートBCS理論と、熱平衡状態における相転移の解析性を特徴づけるYang-Leeの零点との間の結びつきを見出した。Yang-Leeの零点とは分配関数の解析性を完全に特徴づける量であり、ハミルトニアンのパラメータを複素平面に解析接続した際の分配関数の零点として定義される。筆者らの以前の研究で発見された非エルミートBCS模型の複素相互作用平面における例外点が、BCS模型の量子相転移を特徴づけるYang-Leeの零点に対応することを示し、付随した非ユニタリな量子臨界現象も見出した。これは、Yang-Lee特異性として知られる非ユニタリ臨界現象における新たな普遍性クラスを与える。(3)京都大学高橋グループとの共同研究により、2体ロスのある冷却フェルミ原子系において磁気相関が散逸により反強磁性から強磁性へと反転する現象を実験的に観測した。実験で得られた磁気相関のダイナミクスは理論計算と定性的に良い一致を示し、散逸による量子多体系の磁性の制御が可能であることを示した。