リープ型光格子中での超低温量子気体による遍歴強磁性の実現と解明

本年度は、光超格子による二重井戸型ポテンシャル中のSU(N)フェルミ原子系において短距離量子磁性を観測し、その結果を論文としてまとめて投稿した。光格子中の冷却原子系において量子相を探求する上での問題点は、エントロピーである。冷却原子系で確立されている冷却手法での到達温度は数十nK程度であり、実際の固体物質中の電子よりも十分に低いが、冷却原子系は希薄な気体であり密度が低いためフェルミ温度も数百nK程度になる。したがって、冷却原子系のエントロピーは固体物質中の電子系のそれよりもずっと高い。このような問題を回避する方法として、本研究では立方格子のうち1軸に強くdimerizeした光格子を用いることにした。Dimer内のトンネリングが大きくなるので、dimerの中での超交換相互作用エネルギーを高めることができ、dimer内において反強磁性的なスピン相関が現れる。このようにして、dimer内の短距離量子磁性の実現することに成功した。さらに本研究では、高いスピン自由度が量子磁性に与える影響を調べた。本研究で用いたイッテルビウム(Yb)のフェルミ同位体である173Ybは核スピンI=5/2をもっていて、SU(6)対称な斥力相互作用をもつという特徴がある。光ポンピングという技術を用いれば、核スピン成分操作が可能であり、系のスピン成分依存性を調べることができる。本研究では2成分スピン系と4成分スピン系を生成し、量子磁性の定量比較を行った。その結果として、4成分系の方が2成分系に比べて量子磁性が発達していることがわかった。これは高いスピン自由度が系のエントロピーを吸収し、系を冷却するというメカニズムのためであり、3Heの固体-液体転移におけるポメランチュク効果とのアナロジーと考えることができる。冷却原子系において量子磁性に対してポメランチュク効果を観測したのは、今回が最初の例である。

本年度は、光超格子による二重井戸型ポテンシャル中のSU(N)フェルミ原子系において短距離量子磁性を観測し、その結果を論文としてまとめて投稿した。光格子中の冷却原子系において量子相を探求する上での問題点は、エントロピーである。冷却原子系で確立されている冷却手法での到達温度は数十nK程度であり、実際の固体物質中の電子よりも十分に低いが、冷却原子系は希薄な気体であり密度が低いためフェルミ温度も数百nK程度になる。したがって、冷却原子系のエントロピーは固体物質中の電子系のそれよりもずっと高い。このような問題を回避する方法として、本研究では立方格子のうち1軸に強くdimerizeした光格子を用いることにした。Dimer内のトンネリングが大きくなるので、dimerの中での超交換相互作用エネルギーを高めることができ、dimer内において反強磁性的なスピン相関が現れる。このようにして、dimer内の短距離量子磁性の実現することに成功した。さらに本研究では、高いスピン自由度が量子磁性に与える影響を調べた。本研究で用いたイッテルビウム(Yb)のフェルミ同位体である173Ybは核スピンI=5/2をもっていて、SU(6)対称な斥力相互作用をもつという特徴がある。光ポンピングという技術を用いれば、核スピン成分操作が可能であり、系のスピン成分依存性を調べることができる。本研究では2成分スピン系と4成分スピン系を生成し、量子磁性の定量比較を行った。その結果として、4成分系の方が2成分系に比べて量子磁性が発達していることがわかった。これは高いスピン自由度が系のエントロピーを吸収し、系を冷却するというメカニズムのためであり、3Heの固体-液体転移におけるポメランチュク効果とのアナロジーと考えることができる。冷却原子系において量子磁性に対してポメランチュク効果を観測したのは、今回が最初の例である。