理研、量子シミュレータの実現につながる磁気の流れを生み出す機構を発見

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理化学研究所(理研)は10月21日、極低温の原子気体を用い、減衰しにくい磁気の流れを生み出す機構を発見したと発表した。

同成果は、理研 数理創造プログラムの関野裕太特別研究員(理研 開拓研究本部 濱崎非平衡量子統計力学理研白眉研究チーム 特別研究員)、早稲田大学 高等研究所の大湊友也講師、同・大学 理工学術院の内野瞬准教授、東京大学大学院 理学系研究科の田島裕之助教、中国科学院大学 カブリ理論科学研究所の松尾衛准教授らの国際共同研究チームによるもの。詳細は、米国物理学会が刊行する機関学術誌「Physical Review Letters」に掲載された。

近年の技術革新により、絶対零度近くまで冷却された原子気体を、対向するレーザー光の干渉で形成された光格子を使って特定の位置に閉じ込める技術を用いて、原子同士の相互作用で生み出される量子力学的な振る舞いを精密に制御・測定することが可能になり、それを利活用することで、実際の物質では観測が難しい複雑な量子現象を理解するための「量子シミュレータ技術」の研究開発が進んでいる。

最近、冷却原子系において、熱エネルギーや磁気の流れを模倣する方法が実現したことから、ナノスケールで制御された「熱磁気発電」(温度差を磁気に変え発電する)素子や磁気メモリといった次世代熱磁気デバイスの開発への活用が期待されている。特に、磁気で媒介する情報伝達デバイスでは、磁気の流れが発熱を伴って減衰することが知られており、この減衰をいかに抑制するかが課題となっていたことから、研究チームは今回、光格子を用いた冷却原子気体の磁気的量子ポイント構造を提案し、同量子ポイントコンタクトをトンネル伝導する熱と磁気の輸送理論を構築することにしたという。

今回の研究において、理論の構築に当たっては、非平衡場の量子論の手法が用いられた。特に、冷却原子気体の量子統計性が顕著となる条件下では、量子ポイントコンタクトにおいて、減衰しにくく長時間持続する磁気の流れが生成されることが突き止められたとする。

磁気的量子ポイントコンタクトでつながれた光格子中の原子気体は、電子のスピンに似た「擬スピン」と呼ばれる磁気的内部状態を持つ。光格子で閉じ込められた原子の位置はほぼ変化しないにも関わらず、原子間の相互作用を通じて擬スピンや熱は空間を伝わることができ、冷却原子気体を用いると磁性絶縁体中の熱磁気輸送を模倣することが可能とする。このことは、量子シミュレーションの実現を意味すると研究チームでは説明するほか、レーザーを使って原子の運動を減衰させる「レーザー冷却」を駆使して、ナノケルビンにも達する極低温環境を実現することで、これまでの物質材料研究では到達困難な領域の熱磁気輸送を調べることが可能としている。