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理研など、トポロジカル物質における量子化されたエネルギー吸収率の観測に成功

発表日:2019年3月28日

量子化されたエネルギー吸収率の観測に成功

-原子を揺らしてトポロジーを調べる-

理化学研究所(理研)数理創造プログラムの小澤知己上級研究員、ハンブルグ大学のクラウス・センシュトック教授とクリストフ・ヴァイテンベルグ シニア・サイエンティスト、ブリュッセル自由大学のネイサン・ゴールドマン教授らの国際共同研究グループは、トポロジカル物質[1]における量子化されたエネルギー吸収率の観測に成功しました。

本研究成果は、エネルギー吸収率の測定が物質のトポロジカルな性質を調べる普遍的手法として使えることを示しています。

今回、研究チームは、レーザーで作った格子の中に極低温まで冷却されたカリウム原子の集団を閉じ込めたときに、この現象を観測しました。実験では、格子を時計回りに揺らした場合と反時計回りに揺らした場合のエネルギー吸収率の差に注目し、それが格子のトポロジカル不変量[1]であるチャーン数という整数と直接関係していることを示しました。

本研究は、国際科学雑誌『Nature Physics』の掲載に先立ち、オンライン版(2月18日付け)に掲載されました。

※図は添付の関連資料を参照

■背景

二次元電子系[2]で発見された整数量子ホール効果[3]を発端に、トポロジカル物質の研究は近年大きな広がりを見せています。ここ10年ほどは、電子系以外のさまざまな物質、特に原子分子光物理学[4]で作られる系におけるトポロジカルな性質の研究が活発に行われています。原子分子光物理学の系では、試料の作製方法や測定量・観測手法が電子系とは異なるため、従来とは異なる視点から物質のトポロジカルな性質を研究することができます。

今回、研究チームは冷却原子系[5]において、新たなトポロジカルな現象の観測を試みました。

■研究手法と成果

物質を周期的に揺らすと、物質はエネルギーを吸収して熱くなります。2017年以降の理論的研究により、物質を時計回りに揺らした場合と反時計回りに揺らした場合では、エネルギー吸収に差があり、その吸収率の差が物質のトポロジカル不変量と関係していることが知られていました(注1)。そして2018年に、小澤上級研究員らは、物質を一方向に揺らした場合のエネルギー吸収率が、物質のより詳細な幾何学的構造である量子計量テンソル[6]と呼ばれる量と関係していることを理論的に突き止めていました(注2)。

研究チームは、極低温に冷却したカリウム原子の集団を用いて、これらの現象を観測することに成功しました。今回、ハンブルグ大学で行われた実験では、レーザーを用いて原子集団を真空中に冷却・捕捉し、レーザーによって作られた格子の中に閉じ込めた状態で観測を行いました。格子を時計回りに揺らした場合と反時計回りに揺らした場合の原子のエネルギー吸収を、さまざまな振動数で繰り返し測定することで、実際に吸収率の差がトポロジカル不変量である整数(チャーン数)に、誤差の範囲内で一致することを示しました(図1)。

また、一方向に揺らした場合は、吸収率の和がトポロジカル転移[7]の前後で増大することを観測しました。これは、量子計量テンソルがトポロジカル転移の前後で発散することと整合しています。量子計量テンソルが何らかの形で実験的に観測されるのは、本実験が初めてです。

注1)D.T.Tran,A.Dauphin,A.G.Grushin,P.Zoller,and N.Goldman,"Probing topology by'heating':quantized circular dichroism in ultracold atoms,"Sci.Adv.3,e1701207(2017).

注2)T.Ozawa and N.Goldman,"Extracting the quantum metric tensor through periodic driving,"Phys.Rev.B 97,201117(R)(2018).

※以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

https://release.nikkei.co.jp/attach_file/0506346_01.jpg

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach_file/0506346_02.pdf

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