新たな原子種のボース凝縮体によって精査するフェッシュバッハ共鳴の物理

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本研究はEu（ユウロピウム）のボース凝縮体を世界で初めて生成するとともにEuのフェッシュバッハ共鳴スペクトルを詳らかにすることを目的としていた。令和2年度は、準安定状態にあるEuの特性を明らかにすることで基底状態において極低温の原子気体を得るうえでの指針を与えた。これに基づいてEuの冷却に研究グループで取り組んだ結果、Eu原子気体のボース凝縮を実現しフェッシュバッハ共鳴の観測にも成功した。さらに、令和3年度は研究グループで0～3mTにわたってフェッシュバッハ共鳴スペクトルを測定することに成功した。得られたスペクトルはDyやErといった軌道角運動量の大きい原子種とは異なって疎な分布を有しており、これは我々の予想と概ね一致するものであった。これを以て本研究の当初の目的は概ね達成されたと考える。本研究を通じて得られた知見を元にした研究の新たな展開として、磁気双極子相互作用とスピン自由度を有する原子気体の基底状態量子相の探索や、超流動性と空間的周期性を兼ね備える超固体相の精査が挙げられる。特に、先述したボース凝縮体について、トラップから解放された凝縮体が空間的に2つに分裂する実験条件の存在が確認されている。これは超固体相や量子液滴相の発現を示している可能性があると海外の研究グループから指摘を受けており、その可能性の検証は急務である。こうした研究のためには、安定した磁場環境や、凝縮体近傍に対物レンズを配置できる空間が必要である。このため磁気シールド中のガラスセルで凝縮体を生成する新しい実験系の設計と構築を令和3年中から進めてきた。金属真空槽中で準安定状態Euを一度捕獲し、共鳴光で押し出して冷却原子ビームを生成し、ガラスセル中で再び捕獲したうえで基底状態に戻すという構成とした。令和4年度末にはガラスセル中での基底状態Eu原子の捕獲まで実現しており、ガラスセル中でのボース凝縮の実現は目前である。