第3回冷却原子研究会「アトムの会」

日時:2021年8月10日(火)、11日(水)
開催地: オンライン開催(日本語)
プログラム: pdf
概要 :国内の冷却原子研究をさらに飛躍させるため、研究者や学生が集い存分に議論し合う研究会「アトムの会」を2021年度もオンライン形式で開催しました。 今回は招待講演者として
・ニューラルネットワークによる量子多体物性の理論について東大の吉岡信行さん
・冷却 Rydberg 原子の実験について青学大の前田はるかさん
にご参加いただき、それぞれの分野を基礎から紹介していただきました。
世話人(五十音順):井上(大阪市大)、遠藤(東北大)、加藤(大阪市大)、 岸本(電通大)、中島(京大)、福原(理研)、 藤本(名大)、堀越(大阪市大)


第10回「アトムの会」オンラインセミナー

日時:2021年6月21日 (月), 15:00 - 16:00 (45 min. Talk + question discussion)
開催地: オンライン開催
講演者: 高橋 優樹(OIST)
タイトル:Strong coupling of a single ion to an optical cavity: Towards quantum photonic interconnects between ion traps
概要:Cavity quantum electrodynamics (QED) studies the fundamental interaction between single atoms and single photons. Ion trapping is particularly suited for deterministically coupling single atomic particles to the minuscule waves of an optical field due to its strong localization and precise positioning of ions. However the combination of ion traps and cavity QED has its own technological challenges. The close proximity of dielectric mirrors could have strong adverse effects on the stability of the ion trap. Effective shielding, miniaturization, and tight integration of optical mirrors in the ion trap is a key to avoid such adverse effects. We have been working on this subject and our steady progress over the years had recently made it possible to reach the strong coupling regime between a single ion and a single photon in a cavity. In the talk we report on the experiment that achieved strong coupling as well as cavity cooling of a single ion. We further discuss our ongoing efforts to extend the device to linear Paul traps that would lead to the realization of quantum photonic interconnects between ion traps.
参加人数: 51人
世話人(五十音順):井上(大阪市大)、遠藤(東北大)、加藤(大阪市大)、 岸本(電通大)、中島(京大)、福原(理研)、藤本(名大)、堀越(大阪市大)


第9回「アトムの会」オンラインセミナー

日時:2021年5月10日(月)
開催地: オンライン開催
講演者: 花井 亮(Asia Pacific Center for Theoretical Physics (APCTP) /Pohang University of Science and Technology (POSTECH))
タイトル:Non-reciprocal phase transitions
概要:Phase transitions are ubiquitous in nature. For equilibrium cases, the celebrated Landau theory has provided great success in describing these phenomena on general grounds. Even for nonequilibrium transitions such as optical bistability, flocking transition, and directed percolation, one can often define a Landau’s free energy in a phenomenological way to successfully describe the transition at a meanfield level. In such cases, the nonequilibrium effect is present only through the noise-activated spatial-temporal fluctuations that break the fluctuation-dissipation theorem. Here, by generalizing the Ginzburg-Landau theory to be applicable to driven systems, we introduce a novel class of nonequilibrium phase transitions [1-2] and critical phenomena [3] that does not fall into this class. Remarkably, the discovered phase transition is controlled by spectral singularity called the exceptional points that can only occur by breaking the detailed balance and therefore has no equilibrium counterparts. The emergent collective phenomena range from active time (quasi)crystals to exceptional point enforced pattern formation, hysteresis, to anomalous critical phenomena that exhibit anomalously large phase fluctuations (that diverge at d≤4) and enhanced many-body effects (that is relevant at d<8) [3]. The inherent ingredient to these is the non-reciprocal coupling between the collective modes that arise due to the drive and dissipation. We demonstrate the emergence of these phenomena in a broad class of many-body interacting nonequilibrium systems both in quantum and classical matter. Examples include driven quantum systems such as exciton-polariton condensates and BECs in a double-well potential and (classical) active matter where the different groups of agents are non-reciprocally interacting. Notably, our theory [2] provided the first explanation for the discontinuous transitions observed in many polariton experiments [4] and some viscous fingering experiments [5]. Our works lay the foundation of the general theory of critical phenomena in systems whose dynamics are not governed by an optimization principle. [1] M. Fruchart*, R. Hanai*, P. B. Littlewood, and V. Vitelli, Nature 592, 363 (2021). [2] R. Hanai, A. Edelman, Y. Ohashi, and P. B. Littlewood, Phys. Rev. Lett. 122, 185301 (2019). [3] R. Hanai and P. B. Littlewood, Phys. Rev. Res. 2, 033018 (2020). [4] See e.g., J. Tempel, et al., Phys. Rev. B 85, 075318 (2012). [5] L. Pan, and J. R. de Bruyn, Phys. Rev. E 49, 483 (1994).
参加人数: 56人
世話人(五十音順):井上(大阪市大)、遠藤(東北大)、加藤(大阪市大)、 岸本(電通大)、中島(京大)、福原(理研)、藤本(名大)、堀越(大阪市大)


第8回「アトムの会」オンラインセミナー

日時:2020年10月9日(金)9:30~ (2度目のご講演で前回とは別の話題のものとなります)
開催地: オンライン開催
講演者: 川崎 瑛生(スタンフォード大学)
参加人数: 57人
タイトル:Isotope Shift Measurements in Yb+ to Search for New Boson
概要: Isotope shifts in an atomic transition are the slight difference in the transition frequency of a certain transition between different isotopes in the same element. They reflect effects of nuclei on electronic transitions and have been traditionally used for precise determination of nuclear charge radii. Recently, it is theoretically proposed to utilize isotope shifts to search for a new boson that couples to an electron and a neutron, where nonlinearity in the King plot is regarded as the signal. To investigate the existence of such a boson, we performed precise measurements of isotope shifts of narrow transitions in the Yb+ ion for five bosonic isotopes. We measured the isotope shifts for the 2S1/2→2D3/2 transition and the 2S1/2→2D5/2 transition. The King plot showed a 3x10^-7 deviation from linearity, corresponding to 3σ uncertainty level. Detailed analysis of the nonlinearity showed that the quadratic field shift is favored as the source of the nonlinearity compared to the new boson. In this talk, I start from the theoretical background of the isotope shift measurements for the search for a new boson and describe the apparatus, measurements, and analysis we performed, together with some prospects in the future.
世話人(五十音順):井上(大阪市大)、遠藤(東北大)、加藤(大阪市大)、岸本(電通大)、中島(京大)、福原(理研)、藤本(名大)、堀越(大阪市大)

第2回冷却原子研究会「アトムの会」

日時:2020年9月28日(月)-29日(火)
開催地: オンライン開催(日本語)
講演者: 富田隆文(分子研、招待公演)、濱崎立資(理研、招待公演)他
プログラム: pdf
概要:国内の冷却原子研究をさらに飛躍させるため、研究者や学生が集い存分に議論し合う研究会「アトムの会」を2020年度もオンライン形式で開催しました。今回は招待講演者として
・リュードベリ原子を用いた実験について分子研の富田隆文さん
・孤立系の熱化に関する理論について理研の濱崎立資さん
にご参加いただき、それぞれの分野を基礎から紹介していただきました。
世話人(五十音順):井上(大阪市大)、遠藤(東北大)、加藤(大阪市大)、岸本(電通大)、中島(京大)、福原(理研)、藤本(名大)、堀越(大阪市大)



第7回「アトムの会」オンラインセミナー

日時:2020年9月17日(水)
開催地: オンライン開催
講演者: 川崎 瑛生(スタンフォード大学)
タイトル:Spin Squeezed 171Yb Atomic Clock beyond Standard Quantum Limit
概要:State-of-the-art atomic clocks have extremely high relative stability of 1×10^(-18). One of the main factors that limit their stability is the standard quantum limit due to the quantum projection noise arising at the moment of state measurements. The standard quantum limit can be overcome by generating a squeezed spin state between the ground state and the excited state for the clock transition. To demonstrate the improvement in the stability of the atomic clock with a squeezed spin state, we constructed a cavity quantum electrodynamics system with geometrically asymmetric structure, where 171Yb atoms have strong coupling with photons, capable of performing spin squeezing in spin 1/2 system of its ground state. With this apparatus, nearly-unitary spin squeezing with a metrological gain of 6.5 dB at the ground state is achieved. The squeezed spin state is subsequently transferred to the 3P0 excited state of the clock transition, maintaining its metrological gain at the ground state. This is the first realization of the squeezed spin state between the ground state and an electronic excited state. This squeezed spin state with 4.4 dB metrological gain showed a factor of 2.8 improvement in the stability of the atomic clock compared to the standard quantum limit without spin squeezing. In this talk, starting from introduction to atomic clocks, I will discuss this cavity quantum electrodynamics system and results on spin squeezing and enhancement in the stability of the atomic clock. If time allows, I will also mention precision spectroscopy of ytterbium ion for a search for new bosons, which is another project I am engaged in.
参加人数: 63人
世話人(五十音順):井上(大阪市大)、遠藤(東北大)、加藤(大阪市大)、岸本(電通大)、中島(京大)、福原(理研)、藤本(名大)、堀越(大阪市大)


第6回「アトムの会」オンラインセミナー

日時:2020年8月26日(水)
開催地: オンライン開催
講演者: 杉浦 祥(ハーバード大学)
タイトル:Floquet-intrinsic many-body scar states in a Rydberg system
概要:Thermalization, which is the relaxation to a thermal equilibrium state, is a common phenomenon we encounter in our daily lives. In isolated quantum systems, it was believed that the thermalization still happen as far as the system is chaotic. However, it was recently found in the Rydberg atom system that there’re special initial states which will never relax to the thermal equilibrium, while other initial states exhibit the thermalization. Such non-thermal states are called many-body scar states. When the system is periodically modulated over time, this is called a Floquet system. Since the time-modulation excites the quantum state of the system, it was also believed that the quantum state will eventually heat up to infinite temperature in a chaotic system. In this talk, we will show that this expectation is wrong; In some chaotic Floquet systems, we have special quantum states which won’t heat up [1]. We use the PXP type interactions without disorder. We rigorously prove the existence of the many-body scar states. Experimental implementation is also proposed. [1] Sho Sugiura, Tomotaka Kuwahara, and Keiji Saito, arXiv 1911.06092 (2019)
参加人数: 57人
世話人(五十音順):井上(大阪市大)、遠藤(東北大)、加藤(大阪市大)、岸本(電通大)、中島(京大)、福原(理研)、藤本(名大)、堀越(大阪市大)


第5回「アトムの会」オンラインセミナー

日時:2020年8月6日(木)
開催地: オンライン開催
講演者: 土師 慎祐(ウルム大学)
タイトル:Rovibrational spectroscopy of molecular products in an ultracold atomic ensemble
概要:State-resolved detection of reaction products is a prerequisite building block for studying ultracold chemistry with atomic gases. In this talk, I will discuss rovibronic spectroscopy of diatomic molecules produced by three-body recombination, as a prototype chemical reaction, in an ultracold atomic ensemble. The molecules are ionized by resonantly-enhanced multiphoton ionization (REMPI) and captured within an ion trap, which results in boosting the sensitivity for detecting the molecular products. Such a combined detection method with REMPI and the ion trap technology enabled us to probe over 30 channels of reaction paths, corresponding binding energy of up to 100 GHz. I will also discuss the energy scaling of the population distribution of the product states.
参加人数: 34人
世話人(五十音順):井上(大阪市大)、遠藤(東北大)、加藤(大阪市大)、岸本(電通大)、中島(京大)、福原(理研)、藤本(名大)、堀越(大阪市大)


第4回「アトムの会」オンラインセミナー

日時:2020年7月28日(火)
開催地: オンライン開催
講演者: 田村 光(ミシガン大学)
タイトル:Quantum science with neutral atom arrays
概要:Recently single atoms confined in an array of optical microtraps have emerged as a versatile platform for quantum science experiments such as quantum computing and quantum simulation. In this presentation I will talk about my past, current, and future research. I will first give a brief review of individually controlled Rydberg atoms, and introduce excitation dynamics of Rydberg atoms in various array configurations observed at UEC [1]. I will then talk about collective emission from an atom array realized at UM [2]. Particularly, we observe phase-matched enhanced emission that scales as the square of the number of atoms within an array. For two atomic arrays the emission rate is fully controlled by the array-array separation. The ability to obtain high-quality phase-matched emission from atom arrays represents an essential step toward the realization of free-space quantum links between separated arrays. In the end I will give a brief introduction of my next research. [1] H. Tamura et al., PRA, 101, 043421 (2020). [2] H. Tamura et al., “Phase-matching in lower dimensions,” (under review).
参加人数: 51人
世話人(五十音順):井上(大阪市大)、遠藤(東北大)、加藤(大阪市大)、岸本(電通大)、中島(京大)、福原(理研)、藤本(名大)、堀越(大阪市大)


第3回「アトムの会」オンラインセミナー

日時:2020年7月2日(木)
開催地: オンライン開催
講演者: 島崎 敏彦(University of California Santa Barbara)
タイトル:Exploration of New Phenomena in Driven Quantum Gases
概要:Ultracold atoms in modulated optical potentials provide new opportunities to study quantum gases away from equilibrium. In this talk, I will report several experiments performed in this direction in the Weld group at UC Santa Barbara. In particular, I will talk about Floquet prethemalization in a driven optical lattice, study of quasicrystals with a bichromatic optical lattice, and quantum simulation of ultrafast phenomena.
参加人数: 58人
世話人(五十音順):井上(大阪市大)、遠藤(東北大)、加藤(大阪市大)、岸本(電通大)、中島(京大)、福原(理研)、藤本(名大)、堀越(大阪市大)


第2回「アトムの会」オンラインセミナー

日時:2020年6月16日(火)
開催地: オンライン開催
講演者: 小西 秀樹(EPFL)
タイトル:強相関フェルミ気体の共振器QED
概要:光と物質のコヒーレントな相互作用は、系の量子状態制御、およびその量子デバイスへの応用に必要不可欠である。原子が共振器中の電場と強く相互作用する共振器QEDでは、ボース・アインシュタイン凝縮や光格子中の量子気体と光の強結合が実現されてきた。しかしこれまで、フェルミ縮退気体や原子間相互作用可変な原子集団への共振器QEDは実現されていなかった。我々は光共振器中で生成した量子縮退ユニタリフェルミ気体と光の強結合を実現した。発表では実験装置の概要、および共振器透過スペクトルが示す光と原子の強結合の顕著な特徴を説明する。さらに、スペクトル上に現れる原子間相互作用の効果について議論する。
参加人数: 68人
世話人(五十音順):井上(大阪市大)、遠藤(東北大)、加藤(大阪市大)、岸本(電通大)、中島(京大)、福原(理研)、藤本(名大)、堀越(大阪市大)


第1回「アトムの会」オンラインセミナー

日時:2020年6月5日(金)
開催地: オンライン開催
講演者: 中島秀太(京都大学白眉センター、特定准教授)
タイトル:光格子中の冷却原子系に対する量子状態制御
概要:光格子中の冷却原子系は、その高い制御性から、従来の物性系では実現が難しかった新奇な量子現象を開拓する舞台として注目されている。 このトークの前半では、我々が最近研究している「(準周期的な)乱れ」により誘起されるThouless量子ポンプの実験について紹介する。Thouless量子ポンプは空間1次元+時間1次元の(1+1)次元における量子Hall効果に対応するトポロジカル量子現象で、近年、冷却原子系で実現された(S. Nakajima et al., Nat. Phys.(2016))。トポロジカル量子現象は一般に「乱れ」のような摂動に対しても堅牢である(例:量子Hall抵抗 etc.)ことが知られるが、その一方で、近年「乱れ」が存在することで初めて出現する新しいタイプのトポロジカル量子現象(例:トポロジカルAnderson絶縁体 etc.)が研究するようになってきた。我々は、光格子中の冷却原子系を用いてThouless量子ポンプに対する(準周期的な)乱れの影響を調べ、さらにその結果を応用することで、「乱れ」が存在することで初めて出現するThouless量子ポンプ系を構築した。 またトークの後半では、時間が許せば、私が現在二つのプロジェクトに基づき立ち上げ中である、新しい冷却Li原子実験系の装置とその目標について簡単にご紹介したい。
趣旨:2020年度の「アトムの会」はオンライン開催が決定していますが、本会とは別に単発のオンラインセミナーを複数回開催することに決定しました。初回はオンライン開催のテストも兼ねて開催し、無事盛況のうちに終わることができました。
参加人数:38人
世話人(五十音順):井上(大阪市大)、遠藤(東北大)、加藤(大阪市大)、岸本(電通大)、中島(京大)、福原(理研)、藤本(名大)、堀越(大阪市大)


第1回冷却原子研究会「アトムの会」

日時:2019年9月18日(水)、19日(木)、20日(金)
開催地: 熱海
プログラム: pdf
趣旨:国内の冷却原子研究をさらに飛躍させるため、 研究者や学生が集い存分に議論し合う研究会「アトムの会」を開催致します。 「アトムの会」は単に最近の自分の成果を発表する場ではなく、 最新のトピックや将来性のある研究についての紹介や提案、 実験と理論の深い交流、 最新技術の情報交換や技術的問題点の解決へ向けた議論、 等を自由に行い、若手育成やコミュニティーの活性化、 日本初のアイデアの萌芽の場となる事を目的としています。 今回は招待講演者として、 多原子分子イオン分光を専門としている東邦大学の古川武先生と、 トポロジー・トポロジカル超流体を専門としている大阪大学の水島健先生に、 それぞれの分野の基礎から紹介していただく予定です。 また学生さん向けの新企画として、幹事の1名(井上)が講師を務め、 学生向け講義も開催いたします。
世話人(五十音順):井上(大阪市大)、加藤(大阪市大)、岸本(電通大)、福原(理研)、堀越(大阪市大)
共催:新学術領域研究「量子クラスターで読み解く物質の階層構造」




第0回「冷却原子討論会」

日時:2018年9月20日(木)、21日(金)
開催地: 軽井沢
趣旨:アルカリ原子のボース凝縮の実現から20年以上経過し、近年の冷却原子の研究はますます広がりを見せるとともに、緻密化しています。欧米において、この流れを支えているのは種々の組織的な努力による積極的な人材交流や情報・ノウハウの共有です。欧米や中国に比して状況の厳しい日本ではありますが、ローカルに協力し、真の議論の場を設けることで、 研究における飛躍、および次世代の育成が可能になると信じ、新しい討論会を立ち上げたいと思います。第0回と銘打った今回は、研究紹介や国際会議参加者による会議報告を通じて 情報共有を図るとともに、分野の発展のため、どのような討論会の形にするのが今後もっとも有効か議論する。
プログラム
世話人(五十音順):井上(大阪市大)、岸本(電通大)、福原(理研)、堀越(東大)