Observation of spin-space quantum transport induced by an atomic quantum point contact

原子系量子ポイントコンタクトにより誘発されるスピン空間量子輸送の観測

小野 滉貴*; 肥後本 隼也*; 齋藤 優冴*; 内野 瞬   ; 西田 祐介*; 高橋 義朗*

Ono, Koki*; Higomoto, Toshiya*; Saito, Yugo*; Uchino, Shun; Nishida, Yusuke*; Takahashi, Yoshiro*

量子輸送は物理学においてお馴染みの概念である。特に、端子間で生じる量子輸送は固体物理において多く研究がなされており、基礎的な重要性に加え、量子デバイスへの応用も考えられている。最近では、操作性の高い冷却原子気体を用いた量子輸送の研究-アトムトロニクス-が行われるようになり、メゾスコピック輸送を理解する新たなアプローチとして注目されている。今回、我々は2軌道光学格子中でのYb原子気体を用いた量子輸送のスキームを実現した。我々のスキームでは、多成分フェルミ原子気体と局在不純物からなる系を考え、カレントは不純物と原子気体との相互作用によりスピン空間上で生じる。我々は実際、このスキームで生じる多彩な量子輸送を明らかにした。本研究は、スピン自由度を用いたアトムトロニクスの扉を開く重要な成果であったと考えられる。

Quantum transport is ubiquitous in physics. So far, quantum transport between terminals has been extensively studied in solid state systems from the fundamental point of views such as the quantized conductance to the applications to quantum devices. Recent works have demonstrated a cold-atom analog of a mesoscopic conductor by engineering a narrow conducting channel with optical potentials, which opens the door for a wealth of research of atomtronics emulating mesoscopic electronic devices and beyond. Here we realize an alternative scheme of the quantum transport experiment with ytterbium atoms in a two-orbital optical lattice system. Our system consists of a multi-component Fermi gas and a localized impurity, where the current can be created in the spin space by introducing the spin-dependent interaction with the impurity. We demonstrate a rich variety of localized-impurity-induced quantum transports, which paves the way for atomtronics exploiting spin degrees of freedom.