Essay

冷却原子気体で解き明かす量子現象

Unraveling quantum phenomena with ultracold
atomic gases
内野瞬 先端理論物理研究グループ

UCHINO Shun

Research Group for Advanced Theoretical Physics

先端理論物理研究グループの内野瞬と申します。私はI am Shun Uchino who is a member of the advanced

東京大学で学位取得後、ポスドクとして京都大学、ジュ

theoretical physics group. After receiving my Ph. D at

ネーブ大学、理化学研究所で研究を行い、その後、講師

the University of Tokyo, I worked at Kyoto University,として早稲田大学で研究・教育活動を行なってきました。
2020 年 11 月に卓越研究員として先端基礎研究センター (ASRC) に着任して以降、研究に集中できる環境を提供していただいた原子力機構と文科省に感謝しながら、日々、自分の研究に励んでいます。
私は元々、原子核物理畑の出身であり、学生時代に原子力機構で研究を行なった経験もあります。しかしそのthen at Waseda University as an assistant professor.
In November 2020, I started to work at Advanced
Science Research Center (ASRC) as an Excellent Young
Researcher. Since then, I have been pursuing myresearch with gratitude to JAEA and MEXT that offer
a wonderful environment for me.
Actually, I had originally studied nuclear physics

後、ひょんなことから分野を変え、エネルギースケール

and had spent some time at JAEA in my masterが 17 桁以上も小さな冷却原子気体を研究するようにな

course study. Just after that, however, I happened toりました。このような経緯を持つ私が現在、先端理論物

change my research subject and have come to work at

理研究グループの一員となり研究を行なっているのは不思議なものです。何はともあれ、ASRC のメンバーと積極的に相互作用し、新しい研究を開拓していきたいと思います。
さて、私の研究する冷却原子気体では、真空中に捕獲された極低温の原子集団が対象となります。冷却原子気体は操作性の高い人工量子系であり、原子間相互作用をはじめとした量子系の様々なパラメーターを自在に制御

ultracold atomic gases whose energy scale is more than
17 orders of magnitude smaller than nuclear physics.
It is intriguing for me who has such a background tocome back to JAEA and to conduct my research in theadvanced theoretical physics group that mainly consistsof nuclear physicists. Anyway, I wish to explore newresearch through active discussions with members inASRC.
In ultracold atomic gases, an atomic cloudat low

することができます。冷却原子気体のこのような長所を

temperature trapped in the vacuum is concerned.

用いることで、未解決の量子現象の本質を理解する研Such gases are known to be controllable artificial

究 ( 量子シミュレーション ) が現在、盛んに行われていquantum systems that allow us to control a varietyます。例えば、高温超伝導で重要と思われている２次元Hubbard 模型や、核力の本質を理解するのに有用な格子ゲージ模型は、冷却原子気体においてすでに実現されています。冷却原子気体を用いた量子シミュレーションに関する研究は、今後も様々な分野を巻き込んだものになっていくでしょう。
特に私が最近、興味を持って進めているのは冷却原子27

University of Geneva, and RIKEN as a postdoc, and

基礎科学ノート Vol. 28

No.1

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of parameters in quantum systems including aninteratomic interaction. By using this advantage, people
in ultracold atoms including me now focus on research
to understand the essentials of unsolved quantum
phenomena, i.e., quantum simulation. For instance,
two-dimensional Hubbard model expected to be a key
ingredient in high-Tc superconductivity and latticegauge theory that plays a crucial role in nuclear physics

談 話 室
気体を用いたメゾスコピック系の研究です。メゾスコピ

have already been realized in ultracold atomic gases. Iック系は元来、固体物理で議論されてきた系で、半導体

do believe that research on quantum simulation withなどの微細加工技術の進歩により、1980 年代以降大き

ultracold atomic gases is developing further throughく発展した分野です。例えば、アハラノフ・ボーム効果や分数量子ホール効果における分数電荷は、メゾスコピック系においてはじめて検証されました。一方、冷却原子気体でメゾスコピック系をシミュレートする研究は、スイス連邦工科大学 (ETH) の Tilman Esslinger グルー
プによる２端子輸送系の実現以降、急速に発展しています。現在、冷却原子気体におけるこのような研究はエレinteractions with different fields in physics.
In recent years, I have focused on research on
mesoscopic systems with ultracold atomic gases.
Mesoscopic systems were originally discussed insolid-state physics and have been developed owing
to the progress of microfabrication technology insemiconductors since 1980s. For instance, AharanovBohm effect and fractional charge in the fractional

クトロニクスを捩ってアトムトロニクスと呼ばれていま

quantum Hall effect have been measured in mesoscopic

す [1]。

systems in solids. On the other hand, mesoscopic

アトムトロニクス研究の面白さは、電子系で見つかっていない量子輸送を検証できるところにあります。
Esslinger グループが観測した量子ポイントコンタクト系における異常輸送現象 [2] は、その典型例といえるでしょう。彼らは、２端子の量子細線系で期待されるコンダクタンスの量子化が、原子間引力相互作用を増幅させることで、量子化値を超えて破れることを発見しました。
手前味噌ですが、私は東京大学の上田正仁教授と共同で、

systems with ultracold atomic gases have rapidly
been developed since first realization of a two-terminaltransport system done by the Tilman Esslinger groupat ETH. Nowadays, mesoscopic physics research withultracold atomic gases is also known as atomtronics
being a cold-atom analog of electronics [1].
I feel that atomtronics is quite interesting, since
one can examine quantum transport that has yet tobe found in solid-state physics. A good example is

この現象が超流動ゆらぎに起因する対 (preformed pair)an anomalous transport phenomenon occurring in aの輸送によって説明できることを示しました [3]。この

quantum point contact system found by the Esslinger

ように、非常にチャレンジングな実験結果が続々登場し、group [2]. More specifically, they found that by

それを実験家と理論家が非常に密に連携することで解決

increasing an attractive interaction between atoms,していくというプロセスはこの分野の醍醐味といえます。
他にも冷却原子気体では、原子のスピン自由度 ( 多くの場合、超微細スピン ) を制御することができます。この技術により、バルク系でのスピン輸送やメゾスコピック系でのスピン輸送が冷却原子気体で行われるようになっており、スピントロニクスとの接点が生まれています。

conductance quantization expected in a two-terminal
system attached to a quantum wire is broken in sucha way that the conductance exceeds the quantizedvalue. Later on, I, together with Prof. Masahito Ueda
at the University of Tokyo, showed that the anomaloustransport phenomenon can be explained with transportof preformed pairs that originate from superfluid
fluctuations [3]. In this way, atomtronics is an exciting

今後は、ASRC に多数在籍するスピントロニクスの専門

subfield that provides challenging quantum problems,家と議論することで、アトムトロニクスにおけるこの新and experimentalists go hand in hand with theorists to

たな可能性にも着目していきたいと思います。

solve such problems.

参考文献

hyperfine spins are controllable in ultracold atomic

References[1] 内野瞬、日本物理学会誌 76, 4 (2021).
[2] S. Krinner et al., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113,8144 (2016).
[3] S. Uchino and M. Ueda, Phys. Rev. Lett. 118, 105303(2017).

Last but not least, spin degrees of freedom such asgases. By using this technique, spin transport in bothbulk and mesoscopic systems has been done. So now,atomtronics meets spintronics. Hopefully, I would also
like to explore such a direction in atomtronics throughdiscussions with experts of spintronics in ASRC.

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