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論文

Observation of free-electron-laser-induced collective spontaneous emission (superfluorescence)

永園 充*; Harries, J.; 岩山 洋士*; 富樫 格*; 登野 健介*; 矢橋 牧名*; 仙波 泰徳*; 大橋 治彦*; 石川 哲也*; 繁政 英治*

Physical Review Letters, 107(19), p.193603_1 - 193603_5, 2011/11

 被引用回数:36 パーセンタイル:82.89(Physics, Multidisciplinary)

We have observed and characterized 501.6 nm collective spontaneous emission (superfluorescence) following 1$$s$$$$^2rightarrow$$1$$s$$3$$p$$ excitation of helium atoms by 53.7 nm free-electron laser radiation. Emitted pulse energies of up to 100 nJ ($$sim$$10$$^{{11}}$$ photons) are observed, corresponding to a photon number conversion efficiency of up to 10%. We observe the peak intensity to scale as $$rho^2$$, and the pulse width and delay with respect to the pump pulse to scale as $$rho^{-1}$$, where $$rho$$ is the atom number density. Emitted pulses as short as 1 ps are observed, which corresponds to a rate around 75000 times faster than the spontaneous 1$$s$$3$$p$$$$rightarrow$$1$$s$$2$$s$$ decay rate. To our knowledge this is the first observation of superfluorescence following pumping in the extreme ultraviolet wavelength region, and extension of the technique to the generation of EUV and X-ray superfluorescence pulses should be straightforward by using suitable atomic systems and pump wavelengths.

論文

Ambegaokar-Baratoff relations for Josephson critical current in heterojunctions with multigap superconductors

太田 幸宏; 中井 宣之; 中村 博樹; 町田 昌彦; 猪谷 大介*; 大橋 洋士*; 小山 富男*; 松本 秀樹*

Physical Review B, 81(21), p.214511_1 - 214511_6, 2010/06

 被引用回数:31 パーセンタイル:75.52(Materials Science, Multidisciplinary)

多重トンネル径路を有するSISジョセフソン接合に適用できるようAmbegaokar-Baratoff関係式を拡張した。この結果を鉄系超伝導体(5バンド超伝導体)と通常のBCS超伝導体(1バンド超伝導体)からなるヘテロジョセフソン接合に適用することで、$$I_{rm c}R_{rm n}$$が理論的な上限値に評価される。われわれは、こうした上限値が鉄系超伝導体のペア対称性を同定するうえで有用であることを明らかにした。すなわち、測定された$$I_{rm c}R_{rm n}$$がこの上限値より小さければ、鉄系超伝導体は$$pm s$$対称性と結論づけることができる。

論文

Stripe formation in fermionic atoms on 2-D optical lattice; DMRG studies for $$n$$-leg repulsive Hubbard ladders

町田 昌彦; 奥村 雅彦; 山田 進; 大橋 洋士*; 松本 秀樹*

Journal of Superconductivity and Novel Magnetism, 22(3), p.275 - 279, 2009/04

 被引用回数:1 パーセンタイル:6.1(Physics, Applied)

現在、原子物理学の最先端実験技術を用いて、原子のガスをレーザー冷却し、それをさらに、相互干渉するレーザー定在波中(光学格子)におくことで固体中の電子の振る舞いと同じ状況を構成することができる。つまり、原子ガスとレーザーを適当に制御することで、固体中の電子構造が研究できる。最近、この特徴を生かして、光学格子上で観測されるであろうさまざまな物性を予測し、それにより固体中の電子構造における難問を解決しようとする気運が高まっている。この発表では、この気運を背景に固体物理の最大の難問である、強く反発力で相互作用しあうハバードモデルにおいてホールをドープした場合のホールのパターン形成をシミュレーションした結果を示し、これらが原子ガスの技術で観測可能である一方、そのモデルが記述する高温超伝導体のストライプ形成との密接な関係を議論し、原子ガス研究が高温超伝導機構の解明やアクチナイド化合物の性質理解に大いに貢献できることを明示する。

論文

Vortex core structure in strongly correlated superfluidity

山田 進; 奥村 雅彦; 町田 昌彦; 大橋 洋士*; 松本 秀樹*

Physica C, 468(15-20), p.1237 - 1240, 2008/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:6.34(Physics, Applied)

高温超伝導体の渦糸芯構造を調査するため、密度行列繰り込み群法を利用し、調和ポテンシャルのある1次元ハバードモデルのシミュレーションを原子力機構が所有する並列計算機Altix3700Bx2を用いて実施した。その結果、モット状態が中心に出現し、その周りに金属状態が現れることを見つけた。さらに、アップスピンとダウンスピンの数が異なるとき、モット状態のところに長周期で変化する反強磁性が現れることを見いだした。

論文

Correlation effects on atom-density profiles of one- and two-dimensional polarized atomic fermi gases loaded on an optical lattice

町田 昌彦; 山田 進; 奥村 雅彦; 大橋 洋士*; 松本 秀樹*

Physical Review A, 77(5), p.053614_1 - 053614_8, 2008/05

 被引用回数:14 パーセンタイル:56.6(Optics)

現在、原子ガスの分野ではスピン量子数の異なる粒子の数を均等ではなくアンバランスを与えかつその不均衡度合いを制御して量子状態を調べることがトレンドの1つとなっている。これは、その不均衡の制御により、クゥオーク,原子核,中性子星,固体電子などさまざまな物理系で見られる普遍的でかつ未解明な現象が実験室にて簡単に調べられるためである。本発表論文では、このトレンドに対し、光学格子を作り、その中に原子ガスを閉じ込めた時の量子状態について数値計算結果とその理論的解釈を与え、観測可能な実験条件やその特異な結果を予測した。なお、この研究により得られた成果は、物理の普遍的な現象を扱っているため、さまざまな分野に共通する問題に対して解答を与える素地となる結果であり、今後は適用例を考察していく。

論文

Strong pairing and microscopic inhomogeneity of lattice fermion systems

山田 進; 町田 昌彦; 大橋 洋士*; 松本 秀樹*

Physica C, 463-465, p.103 - 106, 2007/10

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Physics, Applied)

高温超伝導体は、超伝導の強さを特徴づける超伝導ギャップの大きさが空間的に非一様に変化していることが複数の実験から示され、本質的に非一様な超伝導状態が実現している可能性が指摘されている。その一方、フェルミ原子ガスでは、相互作用が制御できるうえ、二つの対向するレーザーにより周期ポテンシャルが実現できることから、高温超伝導体と同じ状態を実験できる特徴を持っている。そこで、本研究では、著者らが開発したフェルミ原子ガスのシミュレーションプログラムを利用し、非一様性を持つ超伝導(超流動)がなぜ現れるのかを明らかにすることを目標とした。本プログラムを用いた系統的なシミュレーションの結果から、強い引力とそして、わずかな並進対称性の破れから、超伝導(超流動)を引き起こすクーパーペア間に強い相関が働き、非一様性が生じ、超伝導(超流動)と共存することを初めて見いだした。また、その非一様性の起源がクーパーペア間の相関効果であることが理解できた。これは、格子上で強い引力を及ぼし合うフェルミ粒子系に普遍的な振る舞いであり、今後、さまざまな系で発見されるか、再確認される可能性があると考えられる。

論文

Vortex microscopic structure in BCS to BEC Fermi superfluids

町田 昌彦; 小山 富男*; 大橋 洋士*

Physica C, 460-462(1), p.275 - 276, 2007/09

 被引用回数:1 パーセンタイル:6.71(Physics, Applied)

原子物理学研究の最前線の対象である、フェルミ原子ガスでは、極低温にて超流動状態に転移することが確認されたが、最近、MITの研究グループにより、超流動転移をした一つの証拠として、回転運動が量子化され量子渦糸が現れることが実際に実験により確認された。この研究では、その超流動状態が極めて強い原子間の引力相互作用により、実現しており、超伝導に理論的焼き直しをすると、ほぼ室温程度の超伝導が実現しているため、観測されるさまざまなダイナミクスや励起構造等は、未だ見ぬ室温超伝導状態で起こる事象を想起させるものとして多くの物理学者の興味を惹いてきた。本研究では、こうした背景の下、超伝導において培ってきたシミュレーション技術を生かして、量子渦糸の構造を初めて明らかにしたものであり、原子物理学,超伝導物理学、そして、量子物理学全体の発展に寄与する成果と位置づけることができる。

論文

Ultra large-scale exact-diagonalization for confined fermion-Hubbard model on the Earth Simulator; Exploration of superfluidity in confined strongly-correlated systems

山田 進; 今村 俊幸*; 叶野 琢磨; 大橋 洋士*; 松本 秀樹*; 町田 昌彦

Journal of the Earth Simulator, 7, p.23 - 35, 2007/06

閉じ込めた強相関系の量子状態を探査するため、その系を表現するハバードモデルの物理的性質を利用した地球シミュレータ向きの厳密対角化アルゴリズムを開発した。さらに、厳密対角化に伝統的に用いられてきたランチョス法の代替手法として共役勾配法に基づく固有値計算方法を採用することで、3$$sim$$5倍の高速化を達成した。これらの研究開発により、系統的なシミュレーションが可能になり、これまで知られていなかった超流動状態の可能性を発見することができた。

論文

On-site pairing and microscopic inhomogeneneity in confined lattice fermion systems

町田 昌彦; 山田 進; 大橋 洋士*; 松本 秀樹*

Physical Review A, 74(5), p.053621_1 - 053621_6, 2006/11

 被引用回数:23 パーセンタイル:68.43(Optics)

高温超伝導体は、超伝導の強さを特徴づける超伝導ギャップの大きさが空間的に変化しており、本質的に非一様な超伝導状態が実現している可能性が指摘されている。その一方、フェルミ原子ガスでは、相互作用が制御できるうえ、二つの対向するレーザーにより周期ポテンシャルが実現できることから、高温超伝導体と同じ状態を実験できるといった提案がなされている。そこで、本研究では、この別々の分野における二つのトピックスに同時に回答を与え、非一様性を持つ超伝導(超流動)がなぜ、現れるのかを両者を特徴づける典型的物理モデルを数値シミュレーションし、明らかにすることを目標とした。その結果、系統的なシミュレーションにより、強い引力とそして、並進対称性の破れから、超伝導(超流動)を引き起こすクーパーペア間に強い相関が働き、非一様性が生じ、超伝導(超流動)と共存することがわかり、高温超伝導体で見られる非一様性は、単なる結晶の乱れではなく、本質的な乱れであると結論づけられる。

論文

Vortex structure in weak to strong coupling superconductors; Crossover from BCS to BEC

町田 昌彦; 小山 富男*; 大橋 洋士*

Physica C, 445-448, p.194 - 197, 2006/10

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Physics, Applied)

超伝導体を応用に供する場合、超伝導体は輸送電流や自らが作る誘導磁場等の電磁場にさらされるが、侵入する磁場は量子化され量子渦糸を形成することから、その渦糸を第一原理(微視的)的モデルから理解することが望まれている。この背景下、発表者は超伝導を起こすために必要な電子間相互作用が強い強結合超伝導から相互作用が弱い弱結合超伝導までを統一的に理解できるモデルを構築し、そのモデルを数値計算して渦糸構造の特徴を明らかにする。

論文

Novel pairing in the Hubbard model with confinement potential

町田 昌彦; 山田 進; 大橋 洋士*; 松本 秀樹*

Physica C, 445-448, p.90 - 93, 2006/10

 被引用回数:2 パーセンタイル:12.61(Physics, Applied)

現在、原子ガスをレーザー照射により作られた光学格子上にロードし、固体内の電子系を模擬する研究が盛んに行われている。これは、固体の場合、一度、結晶を作成すると、その構造や電子間相互作用等を変化させることは極めて困難であり、物質の性質を系統的に研究することができない一方、光学格子上の原子ガスの場合は、レーザーをチューニングすることで、さまざまな固体環境を容易に作り出すことができるからである。本研究では、この光学格子上の原子ガスをシミュレーションし、中心に閉じ込めポテンシャルをおいた場合に得られる超流動ペアリング(超流動転移するためには、フェルミ粒子系の場合、ペアを形成する必要がある)の可能性を調べた。その結果、閉じ込めポテンシャルにより、粒子が中心に集まり、相互作用を強くすることでフラットな粒子分布を示すが、その際に粒子集団の両端間でペアリングが形成されることがわかった。粒子がペアリングを示す場合の粒子分布には、高温超伝導体が示すストライプ状態と共通の部分があり、上記の結果は高温超伝導のメカニズムと何らかの関係があると考えられる。

論文

Microscopic structure of a quantized vortex core in atomic fermi gases

町田 昌彦; 大橋 洋士*; 小山 富男*

Physical Review A, 74(2), p.023621_1 - 023621_5, 2006/08

 被引用回数:6 パーセンタイル:31.75(Optics)

原子物理学研究の最前線に位置する原子ガスの研究では、最近、ガスを極低温に冷却することにより超流動転移が確認されたほか、ガスを回転させると、超流動特有の渦の量子化が起こることが直接観察されるなど、急速に研究が進展している。本研究では、この原子ガスにおいて観察された渦の構造を微視的な方程式を数値シミュレーションすることにより明らかにし、実験結果との比較を行った。その結果、シミュレーションは実験事実を定性的によく再現する一方、いかに渦の構造が原子間相互作用により変化するかといった詳細な情報を初めて明らかにした。この成果は、原子間相互作用が極めて強く、未知の超強結合超流動状態における渦構造を示した一方、超流動を超伝導に焼き直すことで、未だ実現していないが、室温超伝導の渦構造を予言するものであり、原子物理学だけでなく、超伝導物理学の分野にもインパクトを与える成果であると位置づけられる。

論文

Vortex structure from BCS to BEC Superfluid

町田 昌彦; 小山 富男*; 大橋 洋士*

Physica C, 437-438, p.190 - 194, 2006/05

 被引用回数:3 パーセンタイル:18.02(Physics, Applied)

本発表では、フェルミ原子ガスの渦糸構造についての最新の数値シミュレーション結果を報告する。フェルミ原子ガスの超流動状態の理論的枠組みは、超伝導と同一であり、超伝導の物質パラメータにおいてそれが実現していると仮定するなら、極めて高温(室温以上)での超伝導が実現しており、超強結合超伝導に位置づけられる。この事実より、フェルミ原子ガスは、未だ実現していない高温での超伝導状態を予言できる対象として学問的価値が高いと評価されており、そこで出現する量子渦糸は極めて特異の構造を持つことから多くの研究者の興味を惹いてきた。発表者は、最近、この渦糸構造を厳密対角化法を適用し量子状態を求め、渦糸構造の特異な振る舞いの一旦を明らかにしている。講演では、渦糸周辺の物質密度分布や励起状態の分布などについて発表し、その物理的意義を示す予定である。

論文

Reply to comment on "Novel superfluidity in a trapped gas of fermi atoms with repulsive interaction loaded on an optical lattice"

町田 昌彦; 山田 進; 大橋 洋士*; 松本 秀樹*

Physical Review Letters, 95(21), P. 218902_1, 2005/11

 被引用回数:8 パーセンタイル:78.36(Physics, Multidisciplinary)

米国物理学会刊行のレター誌には、掲載された論文に対するコメントとそれに対するリプライが掲載される。本発表論文は、以前、掲載された発表者らによる論文「Novel superfluidity in a trapped gas of fermi atoms with repulsive interaction loaded on an optical lattice」(Phys. Rev. Lett. 93, 200402(2004))に対するコメントへの発表者らのリプライ記事に相当しており、上記掲載済み論文の捕捉版といえる内容である。上記掲載済み論文では、フェルミ原子ガスでの新奇超流動の可能性を数値シミュレーションにより示唆したが、今回の捕捉版では、そのメカニズムを明らかにした。

論文

Novel superfluidity in a trapped gas of fermi atoms with repulsive interaction loaded on an optical lattice

町田 昌彦; 山田 進; 大橋 洋士*; 松本 秀樹*

Physical Review Letters, 93(20), p.200402_1 - 200402_4, 2004/11

 被引用回数:28 パーセンタイル:74.96(Physics, Multidisciplinary)

現在、フェルミ原子ガスの超流動状態が最も興味ある物理対象として多くの研究者の注目を集めている。その一つの理由として相互作用を引力から斥力まで任意にコントロールすることができるため、強い相関を持った多体電子状態を実験的に理解できる可能性があるからである。本研究では、上記の背景の下、強い斥力相互作用により実現できる超流動状態を探索するシミュレーションを行った。その結果、トラップポテンシャルと強い斥力の相乗効果により、空間的に隔絶された粒子同士のスピン交換有効相互作用によって、新しいタイプの超流動状態を見いだすことに成功した。

口頭

Vortex structure and dynamics in Fermi superfluid gas

町田 昌彦; 大橋 洋士*; 小山 富男*

no journal, , 

最近、フェルミ原子ガスをレーザーを使って回転させたところ、渦糸の量子化と複数の同一量子化渦糸の三角格子が観察された。この現象は、理論的同一性から磁場中超伝導体が示すものと酷似しており、原子ガスの渦糸を研究することで磁場中超伝導体の基本的ダイナミクスが理解可能であることがわかる。本研究では、原子ガス系で原子間相互作用を任意に制御できることを利用し、超伝導が室温にまで至る超強結合系の場合の渦糸ダイナミクスを予言する。

口頭

フェルミ原子ガスにおける渦糸構造とダイナミクス

町田 昌彦; 大橋 洋士*; 小山 富男*

no journal, , 

フェルミ原子ガスをレーザーを使って回転させると、渦糸の量子化と複数の同一量子化渦糸の三角格子が観察される。この現象は、磁場中超伝導体が示す磁束の量子化と三角格子の形成といった現象と共通で理論的同一性を持つことが知られている。本講演では、原子ガスの渦糸を研究することで磁場中超伝導体の磁束のダイナミクスをより系統的に理解可能であることを示した後、数値シミュレーション結果と原子ガスの実験結果を比較し、超伝導が室温にまで至った場合(超強結合)の渦糸の構造とそのダイナミクスを予測する。

口頭

フェルミオン光学格子で普遍的に見られる非一様な基底状態

町田 昌彦; 山田 進; 大橋 洋士*; 松本 秀樹*

no journal, , 

原子力分野では、物質の微視的性質を予測したり、実験結果を説明するため、量子力学的多粒子系の量子状態を求める必要があり、さまざまな解析的及び理論的計算手法がこれまでに提案されてきた。一方、お互いに強く相互作用する量子力学的粒子集団の振舞いを正確に知るためには、厳密な数値計算手法を用いてスーパーコンピュータ上で大規模計算を行う方法が最も直接的であり、その手法の応用可能性の限界を拡大させようとする研究が最近の計算物理学のトレンドとなっている。そこで、本研究では、この厳密な数値計算手法を用いて、原子のガスがレーザーの作る周期的場に置かれた場合に見せる量子状態の解明に挑戦し、その手法の有効性を確かめたほか、その原子集団が極めて特異な振舞いをすることを見いだした。発表では、この計算手法の有効性と特異な振舞い(2原子が集まって作る分子が極めて強い相関を持つため、非一様な粒子分布構造)について説明する。

口頭

Shapiro steps in heterotic SIS multi-tunneling-channel Josephson junctions; Identification of $$pm$$s-wave in iron-pnictide superconductors

太田 幸宏; 中井 宣之; 中村 博樹; 町田 昌彦; 猪谷 大介*; 大橋 洋士*; 小山 富男*; 松本 秀樹*

no journal, , 

鉄砒素系超伝導体のペア対称性の同定のためのさまざまな試みが行われている。本講演では、ヘテロ型SISジョセフソン接合に着目し、以下の2点について報告する。まず、実験により測定可能な$$J_{rm c}R_{rm n}$$積を予言すべく、その定式化を行い、そして、通常のs波対称性の場合に対するその下限を求めた。これにより$$pm$$s波に対する上限も定まり、その結果ペア対称性を判定できる。次に、相対位相揺らぎの影響をとりいれた解析を行い、特にシャピロステップへの影響を調べた。そして、こうした相対位相揺らぎが劇的にシャピロステップを変更し、ペア対称性の種類にも鋭敏であることを示した。

口頭

Theory of ac Josephson effects in multiple tunneling junctions; A Probe of $$pm s$$-wave in iron-based superconductors

太田 幸宏; 中井 宣之; 中村 博樹; 町田 昌彦; 猪谷 大介*; 大橋 洋士*; 小山 富男*; 松本 秀樹*

no journal, , 

鉄砒素系超伝導体のペア対称性同定について多くの研究が行われている。われわれは多径路トンネル接合の理論を構築し、この課題に取り組みたい。ここではヘテロ型多径路SISトンネル接合に着目し、Ambegaokar-Baratoff関係式を導出し、$$s$$波対称性と仮定した場合の$$I_{rm c}R_{rm n}$$の下限を求める。そして、現実的な物質パラメーターを用いることで、この下限が$$pm s$$波対称性を仮定した場合については$$I_{rm c}R_{rm n}$$の上限に対応することを示す。さらにShapiroステップも議論する。得られた結果に基づき、ペア対称性の同定法を提案する。

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