【研究領域課題番号】20H01929 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

実験核物理 / 量子エレクトロニクス / 原子・分子物理

【研究成果の概要】

光会合実験に向けて、今年度は、（１）イメージインテンシファイアによる冷却原子からの蛍光の増幅、（２）電子EDMの新しい測定法の研究、を行った。
（１）イメージインテンシファイアをCCDに取り付け、MOTからの蛍光を増幅した。ゲインを10^2程度にすることで、冷却原子からの蛍光を増幅し、CCDで観測した。その結果、通常時と比べて、観測時間を約1/100へと短縮化することができた。（２）電子EDMの新しい測定法として、原子の量子エンタングル状態を用いた方法を提案し、EDMを10^(-30) ecm以下で測定できることを示した。これは、現在のEDM上限値を２桁更新できることを意味しており、論文として発表した。
分担者の酒見氏は、EDM測定手法とEDM理論、およびパリティの破れについて議論を行った。
分担者の阿部氏は、超重元素であるLrを含む分子系（LrO, LrF＋, LrH+)の電子EDＭに対する有効電場が250~340GV/cmであることを理論計算から明らかにし、学術誌に発表した。核EDMの理論計算の研究成果に関して国際会議や国内会議で講演を行い、学術論文執筆を行った。
分担者の梶田氏は、核スピンがゼロの窒素分子イオンの振動遷移は精密計測に非常に有用であると思われる。しかし14N2+ では核スピンが0の他に2も存在する。2種類の核スピンのうちゼロの核スピンの分子イオンを量子情報的手法で選別することを提案し、論文発表した。その一方で、二価イオンであるYb2+イオンの遷移周波数の精密計測を提案を論文にした。更に分子イオン遷移周波数の精密計測全般のレビューを招待講演で発表した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2020-04-01 - 2023-03-31

【配分額】17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】17H02881 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

実験核物理 / 量子エレクトロニクス / 原子・分子物理

【研究成果の概要】

レーザー冷却技術を用いて原子・分子で電子の電気双極子能率（EDM）を10-29 e cm まで測れば超対称性粒子の探索が可能である。そこで、我々は、強い内部電場0.8 GV/cm を持つLiSr 分子実験を提案した。本研究では、原子数増大のため、レーザー冷却のリポンプ遷移の原子構造の解明、高安定なレーザー光源の開発、堅牢で高安定な波長変換システムの開発に成功した。理論計算により、LiSr分子の有効電場の精密な計算に成功し、2.0 GV/cmへと改善された。

【研究の社会的意義】

本研究で得られた成果は、第１には、レーザーシステムの高安定化である。レーザー冷却実験では、複数のレーザー光の周波数を、50億分の１以下のレベルで制御する必要がある。本研究では、波長497 nm（青緑色）のレーザー光は50億分の１以下、689 nm（赤色）のレーザー光は1兆分の１以下に制御することに成功した。また、理論計算により、LiSr分子を用いると電子EDMが、原子の場合と比べて2000倍以上に増幅されることを明らかにした。これらの技術と理論計算を融合させることで、今後、電子EDMの感度を向上させることができる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】18,980千円 (直接経費: 14,600千円、間接経費: 4,380千円)

【研究分野】光工学・光量子科学

【研究領域課題番号】15H02028 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光コム / レーザー分光 / 精密分光 / デュアルコム分光 / ファイバーコム / 分子分光 / 原子分光 / 周波数安定化レーザー / デュアルコム / 原子・分子分光 / 超精密測定 / 可視域 / 量子エレクトロニクス / 原子・分子物理

【研究成果の概要】

本研究は、デュアルコム分光において、長時間運転が可能でメンテナンスフリーという実用性の観点を捉え、可視域における信頼性の高いデュアルコム分光計を、光源発生から実証まで研究を進める。可視域光コムの発生では、導波路型周期的分極反転ニオブ酸リチウム結晶による広帯域コムの発生及びそのメカニズムの解明に成功した。また、開発した20 MHzの低繰り返し周波数光コムを用いたデュアルコム分光によってアセチレン分子の吸収スペクトルを観測した。さらに、可視域のよう素吸収線のデュアルコム分光による観測を行い、信号対雑音比においては背景フィッティングが有効であることが分かった。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】34,190千円 (直接経費: 26,300千円、間接経費: 7,890千円)

【研究分野】光工学・光量子科学

【研究領域課題番号】15H02027 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

レーザー冷却 / ストロンチウム / 原子時計 / 光格子時計 / レーザ周波数安定化 / ホローカソードランプ / レーザー周波数安定化 / レーザー / 光格子 / レーザー分光 / 超微細構造定数 / 量子光工学 / 準安定状態 / 分光 / 超微細構造 / 同位体シフト / 原子・分子物理 / 量子エレクトロニクス / 周波数標準

【研究成果の概要】

線幅がｍHz級のレーザーを光格子中に閉じ込められたストロンチウム原子を用いて実現するための基礎研究を行った。そのスタートとして、簡便なストロンチウム原子のレーザー冷却技術の開発を行った。一つ目として、基底状態のみならず、励起状態のストロンチウム原子のドップラーフリー分光をホローカソードランプを用いて実現できることを実証した。また、適切が外部磁場をホローカソードランプに加えることにより、レーザー光に変調を加えることなく、レーザー冷却に十分な安定度でレーザー周波数を安定化する技術も開発した。また、ゼーマン減速器を用いず、直接熱的原子をガラスセル内でレーザー冷却する技術も開発した。

【研究の社会的意義】

光格子時計の精度は300億年に１秒であり、これは1㎝の高低差による時計の進み方の違い（重力による赤方偏移）を検出できるレベルである。光格子時計は、将来の秒の定義の最有力候補であるのみならず、地殻変動の検知や地震予知など重要な社会インフラとなる可能性を秘めている。実際、セシウム原子時計によって維持されているGPSは、我々の生活になくてはならない社会インフラとなった。しかしながら、光格子時計はセシウム原子時計に比べて格段に装置が複雑であり、社会インフラとなるための大きな障害となっていた。本研究により光格子時計の構築を格段に簡略化することが可能となり、社会インフラへの道が大きく開けたといえる。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】40,560千円 (直接経費: 31,200千円、間接経費: 9,360千円)

【研究分野】原子・分子・量子エレクトロニクス

【研究領域課題番号】23244084 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

光周波数コム / 差周波光源 / サブドップラー分解能 / 光共振器 / デュアルコム分光 / 狭線幅光源 / 同位体比計測 / 赤外分光 / 分子分光 / 飽和吸収分光 / デュアルコム / 同位体分析 / 環境分析 / 超精密測定 / 量子エレクトロニクス / 原子・分子物理 / デュアル・コム / 同位体

【研究成果の概要】

86.8 - 93.1 THzにわたりメタンのサブドップラー分解能分光を行い、204本の遷移周波数を数ｋＨｚの不確かさで決定した。結果はHITRAN2012に掲載された。差周波発生用のパンプ光源とシグナル光源の周波数を光コムに安定化し、光コムの繰り返し周波数を変えてアイドラー光を掃引してメタン、CH3I、HClの微弱なスペクトル線を記録した。太い光ビームと結合する光共振器セルを使い、飽和吸収のスペクトル線幅を80kHzに狭めた。
デュアルコムの２台の光コムの相対線幅を1Hz以下に狭め、波長1.0 ～1.8 μmにおよぶスペクトルを分解能48MHz、測定時間140msで記録した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】48,750千円 (直接経費: 37,500千円、間接経費: 11,250千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】23226003 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

アト秒科学 / 光源技術 / 光・量子ビーム / 超高速分光 / 軟X線分光 / 超精密計測 / 非線形光学 / 赤外材料・素子 / 応用光学・量子光学 / 量子エレクトロニクス / X線 / アト秒光学 / 光物性 / アト秒光科学 / 原子・分子物理 / 高性能レーザー / テラヘルツ／赤外材料・素子 / テラヘルツ/赤外材料・素子 / 量子ビーム / 放射線、X線、粒子線

【研究成果の概要】

BIBO結晶を用いた光パラメトリックチャープパルス増幅法に基づく高強度極短パルス赤外光源を開発した。得られた出力は、繰り返し1kHz、パルスエネルギー1.5mJ、パルス幅11fs、キャリアエンベロープ位相(CE位相)安定というものであり、世界的にも先端的な光源を実現した。本光源を用いた高次高調波発生実験では、高調波の最大光子エネルギーは325eVに到達した。CE位相敏感な軟X線スペクトルの振る舞いから、250～325eVにおいて孤立アト秒パルスが発生していることが示された。炭素系物質の吸収スペクトル測定にも成功し、アト秒軟X線吸収分光が可能であることが実験的に示された。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2011-04-01 - 2016-03-31

【配分額】145,340千円 (直接経費: 111,800千円、間接経費: 33,540千円)

【研究分野】物理化学

【研究領域課題番号】17635001 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

原子・分子物理 / 量子エレクトロニクス / プラズマ・核融合 / 放射線、X線、粒子線 / 量子ビーム / 化学反応

【研究成果の概要】

原子や分子などの有限量子系では、そのハミルトニアンには、あいまいさがなく、それを出発点として、多彩な原子・分子過程をどのように理解するかが、課題となる。この課題は、『物質変化の原理』を解明することを目指しているという点で、化学における普遍的な課題であるといえる。ところがこれまでは、実験技術の未熟さゆえに、測定されるのは、単に平均化された量に過ぎなかった。ところが最近の実験技術の進歩は目覚しく、得られる情報の質が飛躍的に向上している。このような状況を踏まえ本研究では、有限量子系のダイナミクスを支配しているものに迫り得る研究とはどのようなものであるかを議論し、具体的なテーマを策定することを目的とした。議論の場として、以下の三つの研究会を開催した。
第1回研究会 6月27-28日 つくば市
第2回研究会 9月18日 京都市
第3回研究会 1月23-24日 熱海市
また主要メンバーにより、都合16回の打ち合わせ会を開催し、上記の議論を積み重ね、これら3回の研究会が実り多いものになるよう工夫した。その結果、並進・回転制御された分子反応研究が重要であるとの結論に達した。並進制御とは、反応する二つの分子種の相対速度を、室温における熱速度を超えて、精密に低くすることを意味する。回転制御とは、反応する分子の配列・配向を様々な手段により規定することを意味している。おそらくはこの二つのキーワードを軸として、近未来の分子反応研究は、新しい展開を見せるものと思われる。並進制御や回転制御により分子反応を操ることも決して夢ではないであろう。以上の議論を踏まえ『並進・回転制御で探る分子反応』を今後チャレンジすべきテーマとして策定した。なお、上記3回の研究会のアブストラクトを中心とした報告書を作成し、研究分担者をはじめとして関連研究者に配布した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2005

【配分額】3,200千円 (直接経費: 3,200千円)

【研究分野】物理化学

【研究領域課題番号】17350006 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

一電子平均場近似 / Born-Oppenheimer近似 / 多電子励起分子 / 同時計数法 / 光子対生成 / 電子衝突 / 放射光 / NO / NH_3 / N_2 / O_2 / 原子・分子物理 / 量子エレクトロニクス / プラズマ・核融合 / 放射線、X線、粒子線 / 量子ビーム

【研究成果の概要】

多電子励起分子は、化学の基本ともいえる一電子平均場近似とBorn-Oppenheimer近似がともに成り立ちにくい、非常に興味深い研究対象である。代表者らは、多電子励起分子の観測に多大な威力を発揮する光子標識付き電子エネルギー損失法と(γ,2γ)法を最近相次いで実現した。本研究ではこれらを駆使して、二原子分子から始め、多原子分子に至るまで、各種の分子について多電子励起状態を探索し、その量子ダイナミクスを解明することを目的とした。
Lyman-α光子標識付き電子エネルギー損失分光法をCH_4に適用し、入射電子エネルギー80eV、電子散乱角12,24°のもとで損失エネルギー20-46eVの領域で、スペクトルを測定した。そこには、一電子励起状態に由来するピークのほかに、二電子励起状態に由来するピークが、むしろより強く現れた。異なる散乱角で測定した角度微分断面積を共通のスケールに乗せることができるようになった。二電子励起の角度微分断面積の電子散乱角依存性が、一電子励起の微分断面積のそれとは異なることがわかった。同様の方法をNH_3に適用し、入射電子エネルギー100eV、電子散乱角8°のもとで、損失エネルギー15-48eVの領域でスペクトルを測定した。やはり一電子励起状態に由来するピークのほかに、二電子励起状態に由来するより強いピークが現れた。さらに異常に細いピークが現れた。
(γ,2γ)法をN_2とO_2に適用し、一光子吸収・光子対放出過程の断面積を入射光子エネルギーの関数として、23-50eVの範囲で測定した。多くの多電子励起状態に由来するピークが現れた。驚くべきことに、それぞれの二重イオン化しきい値を超えてなお多電子励起状態に由来するピークが現れる。
本研究により、多電子励起分子が確かに存在することと、その量子ダイナミクスがこれまでの常識では理解しにくいことが明らかとなった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】12,580千円 (直接経費: 11,800千円、間接経費: 780千円)