冷却単一イオンを用いた光格子中原子の状態検出と操作

本研究は冷却単一原子イオンによる中性原子の状態操作・検出手法の開発を目指すものである。今年度は主に中性原子気体中の単一イオンの温度変化と中性原子と原子イオン間の非弾性散乱過程のスピン依存性の２点について集中的に研究を行い、成果が得られた。昨年度までにプローブヘッドとなるカルシウムイオンに対し、サイドバンド冷却を実装し、原子気体の高解像度でプローブが可能となる領域に冷却したが、本年度は原子気体との衝突による温度変化の詳細を測定した。数ケルビン程度の領域で冷却原子気体と混合したカルシウムイオンが中性原子気体の密度に依存して冷却される振る舞いを観測できた。これは中性原子の状態を検出する際にプローブの精度が悪化しないことを示しており、本研究における重要なマイルストーンである。加えて、中性原子気体によるイオンの冷却手法の開発という観点からも重要な成果である。以上の内容を国際誌にて発表した。また、本研究では中性原子-イオン間の非弾性散乱過程におけるスピン依存性に関する実験を行った。昨年度までに中性リチウム原子とカルシウムイオン間における電荷交換散乱と状態変化散乱（クエンチ散乱）の二種類の非弾性散乱過程が観測された。理論研究者との共同研究によりこの二つの散乱過程がスピン状態の違いによって異なる反応経路をたどって起こることが明らかになった。そこでレーザー光を用いて中性原子、イオンのスピン状態を選別し、両者を混合して電荷交換散乱を観測することに成功した。スピン状態を含めた単一の状態を実験者が任意に選択して反応を観測する手法の開発は、極低温における化学反応過程の観測における重要ステップと言える。

本研究は冷却単一原子イオンによる中性原子の状態操作・検出手法の開発を目指すものである。今年度は主に中性原子気体中の単一イオンの温度変化と中性原子と原子イオン間の非弾性散乱過程のスピン依存性の２点について集中的に研究を行い、成果が得られた。昨年度までにプローブヘッドとなるカルシウムイオンに対し、サイドバンド冷却を実装し、原子気体の高解像度でプローブが可能となる領域に冷却したが、本年度は原子気体との衝突による温度変化の詳細を測定した。数ケルビン程度の領域で冷却原子気体と混合したカルシウムイオンが中性原子気体の密度に依存して冷却される振る舞いを観測できた。これは中性原子の状態を検出する際にプローブの精度が悪化しないことを示しており、本研究における重要なマイルストーンである。加えて、中性原子気体によるイオンの冷却手法の開発という観点からも重要な成果である。以上の内容を国際誌にて発表した。また、本研究では中性原子-イオン間の非弾性散乱過程におけるスピン依存性に関する実験を行った。昨年度までに中性リチウム原子とカルシウムイオン間における電荷交換散乱と状態変化散乱（クエンチ散乱）の二種類の非弾性散乱過程が観測された。理論研究者との共同研究によりこの二つの散乱過程がスピン状態の違いによって異なる反応経路をたどって起こることが明らかになった。そこでレーザー光を用いて中性原子、イオンのスピン状態を選別し、両者を混合して電荷交換散乱を観測することに成功した。スピン状態を含めた単一の状態を実験者が任意に選択して反応を観測する手法の開発は、極低温における化学反応過程の観測における重要ステップと言える。