Quantum Optics Group, Dept. of Physcis, Faculty of Science and Engineering, Chuo University

冷却原子を用いた誘電体表面-原子間相互作用の探索

冷却原子ファウンテン法による光近接場相互作用の研究

原子を鉛直上向きに打ち上げて最高点近くで測定するファウンテン（原子打ち上げ）測定法は，精密測定で広く用いられ原子の共鳴周波数を測定する測定法としても知られています．私たちは通常用いられる冷却原子(1 mK程度)を光トラップ中でさらに冷却を施し超低温原子(10 μK程度)の原子の打ち上げ法を提案して実験を行っています．この方法では，極限まで低減した原子集団に対してさらに重力の影響により，誘電体表面ではカメの歩く速度より遅い秒速1 cm以下の超低速度の原子を用意することができます．超低速にした原子は表面領域に長く滞在できるため，非常に弱い誘電体との相互作用の信号を増大して測定できます．また初速度は光トラップの駆動速度を変化させて簡単に制御できるため，より精密により詳細に測定することができます．


本研究では，ファウンテン測定法に加えて，全反射光を用いて誘電体表面から真空中にわずかに漏れ出すエバネッセント光を利用した新しい実験です．このエバネッセント光によって作られる斥力ポテンシャルを用いると，放出された冷却原子と誘電体表面への吸着を防ぐため原子と表面との相互作用の解明が容易になります．原子と表面の距離に依存したファン‐デル‐ワールスポテンシャルやカシミール・ポルダーポテンシャルとの相互作用が観測されます．

詳細は Mashimo et al., arXiv:2511.08115.

誘電体表面近傍における全光学的ボースアインシュタイン凝縮の生成

量子縮退気体の精密な操作は、量子センシング技術の向上に直結し．原子レベルの表面の調査が可能となります．原子と表面の相互作用は、電磁場に対する感度が高いことに起因しており，ファンデルワールスポテンシャルやカシミール・ポルダーポテンシャルなどが含まれています [1,2]．さらに，理論モデルによると，誘電体表面の近傍では光学的に禁制された遷移の遷移確率が向上する可能性があります．特に、高次電気多極子遷移の確率は，電気総局里遷移の数桁以上増加すると推定しました [3]．
本研究では，⁸⁷Rb (F = 1) のボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）を用いて，原子と表面との相互作用を調査しました．まず，レーザー冷却された原子を光学双極子トラップ [4] に導入してガラス表面領域へ輸送します [5]．トラップ光が表面にわずかな角度で入射するとき，入射光と反射光が重なり合い定在波が形成されます．その中に原子を保持（表面から10 μmの距離）し，定在波ポテンシャル内での蒸発冷却によって原子を100 nKまで下げることができます．様々な困難の末，私たちは全光学的手法によるガラス表面近傍におけるBECの生成に成功し，現在このBECを用いた応用研究を進めています．



(in preparing to submit manuscript)

References:
[1] Athanasios Laliotis, Bing-Sui Lu, Martial Ducloy, Daniel Bloch, and David Wilkowski, AVS Quantum Sci. 3, 043501 (2021).
[2] J. M. Obrecht, R. J. Wild, M. Antezza, L. P. Pitaevskii, S. Stringari, and E. A. Cornell, Phys. Rev. Lett. 98, 063201 (2007).
[3] Kosuke Shibata, Satoshi Tojo, and Daniel Bloch, Optics Express 25, 9476 (2017).
[4] Taro Mashimo, Masashi Abe, and Satoshi Tojo, Phys. Rev. A 100, 063426 (2019).
[5] Taro Mashimo, Masashi Abe, Athanasios Laliotis, and Satoshi Tojo, arXiv:2511.08115.

磁場中の2光子遷移における禁制遷移の増強効果観測

2光子遷移は，原子が2つの光子を同時に吸収することで生じます．1段階ごとに1光子遷移を2回遷移させる手法に比べ，2光子遷移では原子状態をコヒーレントに遷移させることが可能であり，アルカリ原子の内部状態（S, P, Dなど）の基底状態Sから励起状態Dへの直接励起が可能となります．原子の内部状態の磁場応答性に注目すると，D状態はS状態より数桁感度が高いことが知られています．この効果を用いて低磁場で禁制遷移だった遷移線を数十 G（ガウス） 程度の磁場で許容遷移化することを精密分光により観測しました．

上の図はRb原子のエネルギー内部構造の一部です．S→Dの直接励起では基底状態 (F=1) からΔF= 0,±1, ±2 が許され，F=1 から F'=4の遷移は禁制遷移となります．測定では，近赤外光778 nmを2光子遷移の励起光として用いて5D状態に励起させた後，5D→6Pの緩和過程を経て6P→5Sの電気双極子遷移に伴う青色420 nmの発光を観測してスペクトル測定を行います．


上の図は室温原子セルを用いた実験で，0〜45 Gまでの一様磁場中の2光子遷移スペクトルです．赤・緑・青・紫はそれぞれ異なるスピン状態で，ゼロ磁場では赤の遷移は禁制遷移となります．10 G付近あたりから見えなかった遷移が徐々に現れることが確認できます．

詳細は, Abe et al., Phys. Rev. A 99, 053420 (2019).

ナノ構造近傍の多重極子遷移の増強効果

ナノスケールのエッジを持つ物体の近傍では，大きな電磁場勾配に起因して原子の遷移が変化する可能性があることを，これまで実験 [5] および 理論計算 [6] で示しました ．ここでは，原子の電気多重極子励起（E1：電気双極子，E2：電気四重極子，E3：電気八重極子遷移）の遷移確率について電磁場計算を行い，増強効果について調べました．ナノエッジ周辺のアルカリ原子の遷移確率が数桁増強されることがわかりました．また，磁気量子数の変化に伴う各効率についても比較し波動関数の形状が重要なキーになることを示唆する結果を得ました．



上の図えは原子の遷移の2次元プロットを示しています: (a), (b), (c) がE1, (d), (e), (f) がE2, (g), (h), (i) がE3遷移の遷移確率です．ナノ構造の曲率半径は (a), (d), (g)が 2 nm, (b), (e), (h)が 10 nm, (c), (f), (i) が50 nm です．曲率半径が小さいほど，高次の多重極遷移の確率増強の効果が大きいことが確認できます．

References:
[5] Satoshi Tojo, Masahiro Hasuo, and Takashi Fujimoto, Phys. Rev. Lett. 92, 053001 (2005).
[6] Satoshi Tojo and Masahiro Hasuo, Phys. Rev. A 71, 012508 (2005).


詳細は Shibata et al., Optics Express 25, 9476-9489 (2017).

※ この研究は，フランスのProf. Daniel Bloch チームと共同で行った結果で，現在は数値計算プロジェクトは終了しています．