固体水素の量子光学的研究

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原子の基底状態に準備した量子コヒーレンスを用いる事により光学応答がさまざまに制御できることが気体原子系を用いて実証されている。本研究では、この量子コヒーレンスを用いる光学応答制御の研究を固体系に拡張する方法について理論的に研究した。被制御対象物質としては、固体パラ水素中のオルソ水素が有用であることを示した。基底状態のコヒーレンスとしてはオルソ水素の核スピン副準位間のコヒーレンスを取り扱った。基底状態のコヒーレンスは、赤外領域の結晶場誘起振動遷移を用いて、Λ型の共鳴3準位遷移(共鳴ラマン遷移)を用いて制御する。固体水素は水素分子からなる結晶であり、各水素分子は孤立分子とほぼ同じ分光学的性質を維持しているという極めてユニークな系である。核スピンコヒーレンスの制御には,オルソ水素分子の分子振動遷移を用いる。この遷移は結晶場誘起遷移であり、MHz程度のスペクトル線幅になり得ることが、当グループにより実験的に実証されており、原子と同様な制御手法の適用が期待できる。弱い分子振動遷移を介してコヒーレンスを制御するためには強いレーザー場を準備しなければならない。本研究では、光ファイバーのエバネッセント場を用いた。要点は、光ファイバーの一部を1-2μと極細化し(Tapered Fiber)そのファイバーを固体水素中に埋め込む事である。ファイバーの極細化した領域ではエバネッセント領域においても極めて高いレーザー強度が実現でき,弱いオルソ水素の遷移に対しても十分な制御性が実現できることを示した。例えば光パルスの伝播速度が真空中の光速より7-8桁も遅くする事ができ、最終的には光パルスをその位相情報を含めて光ファイバーを用いてオルソ水素系に閉じ込める事可能性も示され、光ファイバー回路中で量子情報蓄積する可能性が提示された。