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非平衡開放系における強相関物理

和樹 山本, Kazuki Yamamoto

Published Apr 1, 2023• 0 citations
OpenAlex

Abstract

極低温に冷却された原子集団(冷却原子系)による実験技術の発展は、系のパラメータの自在な制御に加え、散逸の制御や１原子レベルでの観測をも可能にした。例えば、Yb原子系において、光会合と呼ばれる技術を用いて粒子ロスを制御することが可能であり、開放系特有の非平衡相転移等が報告されている。また、観測によって量子系の情報を取り出す際、観測者は環境としての役割を果たし、観測の反作用は量子状態に無視できない変化を引き起こす。特に、冷却原子系のような極限の解像度の下での物理では観測による反作用の影響が顕著となる。 本セミナーではこのような背景から、量子開放系における多体物理を、非エルミート量子多体系[1]、リンドブラッド方程式のダイナミクスと非平衡定常状態[2]、連続測定下の量子多体物理[3]、の3つの観点から概観する。具体的には、超伝導、朝永Luttinger液体、量子多体局在といった典型的な強相関物理を取り扱う [1] K. Yamamoto et al., Phys. Rev. Lett. 123, 123601 (2019); Phys. Rev. B 105, 205125 (2022); Phys. Rev. B 107, 045110 (2023). [2] K. Yamamoto et al., Phys. Rev. Research 2, 043343 (2020); Phys. Rev. Lett. 127, 055301 (2021). [3] K. Yamamoto and R. Hamazaki, arXiv:2301.07290.

Related papers

Comment on “Quantum Monte Carlo Approach to Elementary Excitations of Antiferromagnetic Heisenberg Chains”

Ulrich Schollwöck, Th. Jolicœur

A Comment on the Letter by S. Yamamoto, Phys. Rev. Lett. 75, 3348 (1995). The authors of the Letter offer a Reply.Received 24 June 1996DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.2844©1996 American Physical Society

Physical Review Letters•Sep 23, 1996•11 citations

超流動ヘリウムにおける量子渦環の制御と検出

ユウスケ ナゴウ, Y. Nago, 祐輔 永合

量子乱流の生成・減衰過程において重要要素である量子渦の非線形運動状態の解明に向け、よく制御された細孔形状の量子渦環生成装置を用いた超流動ヘリウム中の渦生成実験を行った。昨年度に確立した作製方法を基に、超伝導細線を用いたワイヤー振動子と3Dプリンターを用いて光造形法によって作製した樹脂製細孔板から構成される装置を準備した。これまでのワイヤー振動子実験でのQ値の解析結果、および細孔サイズの渦環が発生したときのエネルギー散逸の見積もり結果から、直径4um、長さ100umの細孔を180個配列した～0.2mmサイズの細孔板を作製した。これにより振動子の共振の散逸として細孔からの渦環生成の観測が期待できる。この細孔板をマイクロマニピュレータを用いて太さ30umの超伝導細線振動子に精密に位置決めして接着した。室温でこの渦環生成装置の駆動テストを行い、正常に共振していることを確認した上で、4He冷凍機を用いて温度約1.3Kまで装置を冷却し、超流動ヘリウム中での共振スペクトル測定を行った。振動速度のドライブ電流(力)依存性を調べ、量子渦・量子乱流生成に伴う振動の散逸の観測に成功した。さらに渦生成速度の温度依存性を測定した。これらの結果とファインマンの渦環生成理論や残留渦の不安定性の理論を比較、解析したところ、観測された渦生成は残留渦によるものであることがわかった。振動子単体の実験から実証はされなかったが、渦生成速度付近では細孔内または開口部に付着した残留渦が、細孔サイズの渦環を放出していると考えられる。今後、渦環検出器を開発し、将来的に渦環放出の検証を行う予定である。また、研究室ではヘルムホルツ共鳴器による超流動流れの実験も進めており、開発した細孔板を本装置に組み込んだ実験装置の開発も計画している。 I performed experiments in superfluid helium using quantum vortex ring generators with well-controlled orifice shape, for elucidation of non-linear dynamics of quantum vortex rings which is one of the key factors for creation and decay processes of quantum turbulence. Following the fabrication method which I developed in the last fiscal year, the devices consisting of a vibrating wire resonator made of a superconducting filament and a resin orifice plate made with photofabrication using a 3D printer were prepared. I fabricated the ~0.2 mm resin plate with 180 aligned orifices with a diameter of 4 um and a length of 100 um, by reference to the Q-value obtained from the previous vibrating-wire measurements and our estimation of dissipation of the vibration due to vortex-ring emission. This enables observation of vortex ring emission from the orifice as a dissipation of resonant vibration. The plate was precisely positioned and glued on a superconducting wire with a thickness of 30 um using a micromanipulator. I checked a resonant vibration of the vortex ring generator at room temperature and thereafter cooled it down to 1.3 K using a 4He cryostat, followed by resonance spectrum measurements of it in superfluid helium. A driving current (force) dependence of vibration velocity revealed a dissipation of vibration due to generation of quantum vortices and turbulence. Furthermore, a temperature dependence of the velocity of vortex generation was measured. I compared these results with Feynman's theory for vortex nucleation and the theory of instability of remanent vortices, revealing that the observed vortex generation was caused by remanent vortices attached on the generator surfaces. It is expected that remanent vortices inside the orifice or in the vicinity of the opening emitted vortex rings with the same size as the orifice, though the single generator measurement did not provide the unambiguous evidence. I will develop vortex detecting devices and perform measurements to verify vortex ring generation in the future. In addition, superfluid flow experiments using a Helmholtz resonator are ongoing in our lab, and I am therefore planning experiments by the resonator with a resin orifice plate for the future.

•Jan 1, 2021•0 citations

Absorption mechanism in a four-level system

Weihua Xu, Jin-Yue Gao

We investigate the absorption mechanism in a four-level system proposed by Harris and Yamamoto [Phys. Rev. Lett. 81, 3611 (1998)] by using the quantum-jump approach. We show that the one-photon and three-photon absorption processes are both responsible for the whole absorption at the line center of the probe field. In particular, we show the important role of the one-photon absorption process.

Physical Review A•Mar 28, 2003•18 citations

超流動における量子渦環生成装置の開発

ユウスケ ナゴウ, Y. Nago, 祐輔 永合

量子乱流の生成・減衰に密接に関わる量子渦の非線形運動状態の解明に向け、超流動ヘリウム中で渦環を、そのサイズと形状を制御して生成させるための装置開発に取り組んだ。渦環生成装置は超伝導細線を用いたワイヤー振動子と樹脂製細孔板から構成される。まず有限要素法による数値計算によって細孔板が接続したワイヤー形の共振装置の共振周波数を見積もった上で、細孔板の形状、サイズを決定し、3Dプリンターを用いた光造形法によって最小孔直径4umの細孔板を作製した。その後、超伝導細線をアーチ状に張ったワイヤー振動子の頂点に、細孔板を接着した。室温でこの渦環生成装置の駆動テストを行い、正常に共振していることを確認した上で、4He冷凍機を用いて温度約1.3Kまで装置を冷却し、超流動ヘリウム中での共振スペクトル測定を行った。振動速度のドライブ電流(力)依存性を調べ、常流動成分による粘性の効果を示唆する線形性を確認することに成功した。しかし、量子渦、量子乱流が発生する振動速度まで上昇させることができなかった。これは、太さ156umの太い超伝導線を使用して装置を作製したが、その分硬くなったため十分な振動振幅が実現できなかったことが考えられる。そこで、新たにマニピュレータを導入して、より小サイズの細線および細孔板の取扱いを確立した。このマニピュレータを用いて太さ30umの超伝導細線振動子に、前回よりも小さいサイズの細孔板を接着した渦環生成装置を新たに作製した。再度低温超流動中で実験を行ったところ、渦・乱流生成に伴う振動の散逸の観測に成功した。細孔から渦環が放出されていると考えられる。今後、渦環が放出されていることを実証すべくさらなる装置の改良および実験を進める予定である。また、ヘルムホルツ共鳴器を用いた渦環生成装置の作製も検討する。 I developed generator devices of quantum vortex rings which can control a ring shape and size precisely in superfluid helium, for elucidation of non-linear dynamics of quantum vortices related to creation and decay of quantum turbulence. A vortex ring generator consists of a vibrating wire resonator made of a superconducting wire and a resin orifice plate. A shape and a size of the orifice plate was fixed by estimation of a resonant frequency of the device using numerical simulation with a finite element method, and the plate with a minimum diameter of 4 um was fabricated with stereolithography using a 3D printer device. Then, the plate was glued at the top of the superconducting vibrating wire with an arch shape. I checked a resonant oscillation of the device at a room temperature and then cooled it down to 1.3 K with a 4He cryostat to measure a resonant spectrum in superfluid helium. I investigated a current(force) dependence of oscillation velocity and successfully obtained its linearity due to viscosity of a normal fluid component of superfluid helium. However, an oscillation velocity did not increase exceeding the critical velocity for creation of quantum vortex and quantum turbulence. There is a possibility that the resonator did not realize high oscillation amplitude because the wire resonator consists of a thick and hence rigid superconducting wire with a size of 156 um. I then prepared a micro manipulator and devised manipulation of a thinner wire and a smaller orifice plate. I fabricated a vortex-ring generating device in which a smaller orifice plate was glued with a superconducting wire with a thickness of 30 um. I again performed oscillation measurements in superfluid helium at low temperatures and finally succeeded to observe dissipation of oscillation due to vortex/turbulence generation. It suggests vortex ring emission from the orifice. It is desirable to improve a resonator and prepare further experiments for direct verification of vortex ring emission. I will also consider fabrication of a vortex ring generating device using a Helmholtz resonator.

•Jan 1, 2020•0 citations

超放射の厳密解(有限系)とスケーリング理論(非線型・非平衡状態の統計力学,研究会報告)

Toshihiko Arimitsu, Masuo Suzuki

スケーリング理論を超放射系に応用し,有限系でのその厳密解と比較するところにより,スケーリング理論の意味するところをはっきり知り,また久保,松尾,北原の1/Ω展開とのつながりもはっきりさせる。超放射系のモデルについては,(1)を参照されたい。ひとことで言えば,2準位の同じ原子N個を,えんぴつ型の容器に入れた系と,熱浴と接触した光子系とを考え,その間のカップリングについて,2次までを考慮するのである。

•Mar 20, 1977•0 citations

Comment on Hess et al. Phys. Rev. Lett. {\bf 130}, 207001 (2023)

A.V. Antipov, Cole, W., K. Kalashnikov +5 more

In this comment, we show that the model introduced in Hess et al. Phys. Rev. Lett. {\bf 130}, 207001 (2023) fails the topological gap protocol (TGP) (Pikulin et al., arXiv:2103.12217 and M. Aghaee et al., Phys. Rev. B 107, 245424 (2023)). In addition, we discuss this model in the broader context of how the TGP has been benchmarked.

arXiv:2307.15813•Jul 28, 2023•0 citations
極低温に冷却された原子集団(冷却原子系)による実験技術の発展は、系のパラメータの自在な制御に加え、散逸の制御や１原子レベルでの観測をも可能にした。例えば、Yb原子系において、光会合と呼ばれる技術を用いて粒子ロスを制御することが可能であり、開放系特有の非平衡相転移等が報告されている。また、観測によって量子系の情報を取り出す際、観測者は環境としての役割を果たし、観測の反作用は量子状態に無視できない変化を引き起こす。特に、冷却原子系のような極限の解像度の下での物理では観測による反作用の影響が顕著となる。 本セミナーではこのような背景から、量子開放系における多体物理を、非エルミート量子多体系[1]、リンドブラッド方程式のダイナミクスと非平衡定常状態[2]、連続測定下の量子多体物理[3]、の3つの観点から概観する。具体的には、超伝導、朝永Luttinger液体、量子多体局在といった典型的な強相関物理を取り扱う [1] K. Yamamoto et al., Phys. Rev. Lett. 123, 123601 (2019); Phys. Rev. B 105, 205125 (2022); Phys. Rev. B 107, 045110 (2023). [2] K. Yamamoto et al., Phys. Rev. Research 2, 043343 (2020); Phys. Rev. Lett. 127, 055301 (2021). [3] K. Yamamoto and R. Hamazaki, arXiv:2301.07290.
量子乱流の生成・減衰過程において重要要素である量子渦の非線形運動状態の解明に向け、よく制御された細孔形状の量子渦環生成装置を用いた超流動ヘリウム中の渦生成実験を行った。昨年度に確立した作製方法を基に、超伝導細線を用いたワイヤー振動子と3Dプリンターを用いて光造形法によって作製した樹脂製細孔板から構成される装置を準備した。これまでのワイヤー振動子実験でのQ値の解析結果、および細孔サイズの渦環が発生したときのエネルギー散逸の見積もり結果から、直径4um、長さ100umの細孔を180個配列した～0.2mmサイズの細孔板を作製した。これにより振動子の共振の散逸として細孔からの渦環生成の観測が期待できる。この細孔板をマイクロマニピュレータを用いて太さ30umの超伝導細線振動子に精密に位置決めして接着した。室温でこの渦環生成装置の駆動テストを行い、正常に共振していることを確認した上で、4He冷凍機を用いて温度約1.3Kまで装置を冷却し、超流動ヘリウム中での共振スペクトル測定を行った。振動速度のドライブ電流(力)依存性を調べ、量子渦・量子乱流生成に伴う振動の散逸の観測に成功した。さらに渦生成速度の温度依存性を測定した。これらの結果とファインマンの渦環生成理論や残留渦の不安定性の理論を比較、解析したところ、観測された渦生成は残留渦によるものであることがわかった。振動子単体の実験から実証はされなかったが、渦生成速度付近では細孔内または開口部に付着した残留渦が、細孔サイズの渦環を放出していると考えられる。今後、渦環検出器を開発し、将来的に渦環放出の検証を行う予定である。また、研究室ではヘルムホルツ共鳴器による超流動流れの実験も進めており、開発した細孔板を本装置に組み込んだ実験装置の開発も計画している。 I performed experiments in superfluid helium using quantum vortex ring generators with well-controlled orifice shape, for elucidation of non-linear dynamics of quantum vortex rings which is one of the key factors for creation and decay processes of quantum turbulence. Following the fabrication method which I developed in the last fiscal year, the devices consisting of a vibrating wire resonator made of a superconducting filament and a resin orifice plate made with photofabrication using a 3D printer were prepared. I fabricated the ~0.2 mm resin plate with 180 aligned orifices with a diameter of 4 um and a length of 100 um, by reference to the Q-value obtained from the previous vibrating-wire measurements and our estimation of dissipation of the vibration due to vortex-ring emission. This enables observation of vortex ring emission from the orifice as a dissipation of resonant vibration. The plate was precisely positioned and glued on a superconducting wire with a thickness of 30 um using a micromanipulator. I checked a resonant vibration of the vortex ring generator at room temperature and thereafter cooled it down to 1.3 K using a 4He cryostat, followed by resonance spectrum measurements of it in superfluid helium. A driving current (force) dependence of vibration velocity revealed a dissipation of vibration due to generation of quantum vortices and turbulence. Furthermore, a temperature dependence of the velocity of vortex generation was measured. I compared these results with Feynman's theory for vortex nucleation and the theory of instability of remanent vortices, revealing that the observed vortex generation was caused by remanent vortices attached on the generator surfaces. It is expected that remanent vortices inside the orifice or in the vicinity of the opening emitted vortex rings with the same size as the orifice, though the single generator measurement did not provide the unambiguous evidence. I will develop vortex detecting devices and perform measurements to verify vortex ring generation in the future. In addition, superfluid flow experiments using a Helmholtz resonator are ongoing in our lab, and I am therefore planning experiments by the resonator with a resin orifice plate for the future.
量子乱流の生成・減衰に密接に関わる量子渦の非線形運動状態の解明に向け、超流動ヘリウム中で渦環を、そのサイズと形状を制御して生成させるための装置開発に取り組んだ。渦環生成装置は超伝導細線を用いたワイヤー振動子と樹脂製細孔板から構成される。まず有限要素法による数値計算によって細孔板が接続したワイヤー形の共振装置の共振周波数を見積もった上で、細孔板の形状、サイズを決定し、3Dプリンターを用いた光造形法によって最小孔直径4umの細孔板を作製した。その後、超伝導細線をアーチ状に張ったワイヤー振動子の頂点に、細孔板を接着した。室温でこの渦環生成装置の駆動テストを行い、正常に共振していることを確認した上で、4He冷凍機を用いて温度約1.3Kまで装置を冷却し、超流動ヘリウム中での共振スペクトル測定を行った。振動速度のドライブ電流(力)依存性を調べ、常流動成分による粘性の効果を示唆する線形性を確認することに成功した。しかし、量子渦、量子乱流が発生する振動速度まで上昇させることができなかった。これは、太さ156umの太い超伝導線を使用して装置を作製したが、その分硬くなったため十分な振動振幅が実現できなかったことが考えられる。そこで、新たにマニピュレータを導入して、より小サイズの細線および細孔板の取扱いを確立した。このマニピュレータを用いて太さ30umの超伝導細線振動子に、前回よりも小さいサイズの細孔板を接着した渦環生成装置を新たに作製した。再度低温超流動中で実験を行ったところ、渦・乱流生成に伴う振動の散逸の観測に成功した。細孔から渦環が放出されていると考えられる。今後、渦環が放出されていることを実証すべくさらなる装置の改良および実験を進める予定である。また、ヘルムホルツ共鳴器を用いた渦環生成装置の作製も検討する。 I developed generator devices of quantum vortex rings which can control a ring shape and size precisely in superfluid helium, for elucidation of non-linear dynamics of quantum vortices related to creation and decay of quantum turbulence. A vortex ring generator consists of a vibrating wire resonator made of a superconducting wire and a resin orifice plate. A shape and a size of the orifice plate was fixed by estimation of a resonant frequency of the device using numerical simulation with a finite element method, and the plate with a minimum diameter of 4 um was fabricated with stereolithography using a 3D printer device. Then, the plate was glued at the top of the superconducting vibrating wire with an arch shape. I checked a resonant oscillation of the device at a room temperature and then cooled it down to 1.3 K with a 4He cryostat to measure a resonant spectrum in superfluid helium. I investigated a current(force) dependence of oscillation velocity and successfully obtained its linearity due to viscosity of a normal fluid component of superfluid helium. However, an oscillation velocity did not increase exceeding the critical velocity for creation of quantum vortex and quantum turbulence. There is a possibility that the resonator did not realize high oscillation amplitude because the wire resonator consists of a thick and hence rigid superconducting wire with a size of 156 um. I then prepared a micro manipulator and devised manipulation of a thinner wire and a smaller orifice plate. I fabricated a vortex-ring generating device in which a smaller orifice plate was glued with a superconducting wire with a thickness of 30 um. I again performed oscillation measurements in superfluid helium at low temperatures and finally succeeded to observe dissipation of oscillation due to vortex/turbulence generation. It suggests vortex ring emission from the orifice. It is desirable to improve a resonator and prepare further experiments for direct verification of vortex ring emission. I will also consider fabrication of a vortex ring generating device using a Helmholtz resonator.
スケーリング理論を超放射系に応用し,有限系でのその厳密解と比較するところにより,スケーリング理論の意味するところをはっきり知り,また久保,松尾,北原の1/Ω展開とのつながりもはっきりさせる。超放射系のモデルについては,(1)を参照されたい。ひとことで言えば,2準位の同じ原子N個を,えんぴつ型の容器に入れた系と,熱浴と接触した光子系とを考え,その間のカップリングについて,2次までを考慮するのである。