研究内容
レーザーを用いて気体原子を冷却または捕獲する「レーザー冷却」という研究分野は、1980年代後半から飛躍的に発展し、1995年にはマクロな数の原子が量子力学的に許される最低エネルギー状態を占めるボース・アインシュタイン凝縮（BEC）が実現されました。BECは、Feshbach共鳴などを利用して、分子を生成したり、原子間相互作用が制御できる、理想的な量子凝縮系として多くの研究者の興味を引き続け、原子物理学、凝縮系物理学、素粒子物理学、量子光学、量子技術などを取り込む大きなサブフィールドを形成しています。
以下に本研究室が現在取り組んでいるテーマを紹介します。
(1)レーザー冷却を用いた量子縮退気体の研究、 極低温分子の生成
および 電子の電気双極子モーメント（eEDM）の探索
電子は、電荷-eを持ちますが、電気双極子モーメント（EDM）も持っているかもしれないと考えられています。特に、レーザー冷却した原子・分子を用いると、電子EDMを超高感度に測定でき、これはスイスCERNの世界最高エネルギーの加速器LHCを遥か に上回る高エネルギーの新粒子の探索に相当します。我々は世界最高の性能を誇るルビジウム原子のBEC生成装置を保有し、リチウム原子およびストロンチウム原子も同時にレーザー冷却できる装置を開発しました。我々は、光や磁場を用いて、これら冷却原子から人工的に冷却分子を生成することで、冷却分子を用いたEDM探索を目指しています。
(2)相対論的測地学開拓に向けた可搬型光格子時計開発
セシウム原子のマイクロ波遷移を用いる原子時計は、現在の１秒の定義にも採用されています。しかしその精度は10のマイナス16乗が限界です。近年開発されたストロンチウム原子の光学遷移を用いる光格子時計の精度は10のマイナス18乗に達し、1cmの高低差に対応する一般相対論的な時間の遅れを検出できるようになりました。しかし、光格子時計の実験装置は大型かつ煩雑であり、複数の観測地点に配置することは現状では困難です。我々の研究室は、光格子時計のポータブル化を目指しており、現在は光格子時計の前段階であるストロンチウム原子のレーザー冷却装置の小型化を進めています。
(3)冷却原子の量子センシングによるダークマター探索
現在の物理学では、宇宙は我々の銀河・太陽系などの物質(5%)よりも、ダークエネルギー(68%)やダークマター(27%)など未知のものが支配的であることが知られています。そして、その正体を探る研究が世界中で活発に行われています。このうち、ダークマター（暗黒物質）は、光では直接観測できません。しかし、原子内の「弱い力」によるパリティ破れの影響を「光」で検出することで、ダークマターを探索することができます。我々は、光技術と弱い力を組み合わせて、量子エンタングル状態の原子でダークマターの測定感度を高める全く新しいアイデアを提案しました。光技術と弱い力を組み合わせた量子センシングは、新しい分野を開拓します。
(4)リドベルグ原子の量子エンタングルメント状態を用いた量子センシング
近年、原子の超精密周波数分光の発展により、原子時計・原子干渉計・基礎物理の探索など活発に研究されており、原子を用いた外場などの精密計測は、「量子センシング」と呼ばれています。特に、量子エンタングル状態を用いた量子センシングの測定感度は、標準量子限界（Standard Quantum Limit, SQL）を突破します。我々はリドベルグ原子のシュレーディンガーの猫状態を用いた、SQLを超える超高感度な電場の量子センシングを研究しています。シュレーディンガーの猫状態は、巨視的な量子重ね合わせ状態であり、これによるセンシング技術の高感度化は、 ホットなトピックとなっています。