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ボース・アインシュタイン凝縮を目指した高密度・低温ポジトロニウム生成材の開発

石田 明, 牧和真, R. W. Gladen, 難波 俊雄, 浅井 祥仁, 大島永康, オロークブライアン, 伊藤賢志, 兵頭俊夫, 和田 健, 満汐 孝治, 前川 雅樹

Published Mar 18, 2024• 0 citations
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Abstract

物質優勢宇宙の謎を解明するための反物質重力測定や 511 keV ガンマ線レーザーを実現することを目指し、電子とその反粒子（陽電子）の束縛系であるポジトロニウム (Ps) のボース・アインシュタイン凝縮の実現を試みている。これには高効率なPs生成材が必須であり、①生成（Ps 生成率 50 %以上）、②濃縮+熱化冷却（50—100 nm 程度の細孔）、③レーザー冷却（243 nm 紫外光透過率 80 %以上）の3機能が求められる。低温シリカ（二酸化ケイ素、SiO2）エアロゲルは候補材料の一つであり、本講演では、GM 冷凍機で冷却したシリカエアロゲルに関する性能評価試験結果について報告する。性能評価には密度 0.12 g cm−3、空孔径 45 nm、厚さ 0.5 mm のシリカエアロゲルを用いた。低温材料中での Ps 熱化冷却効率を測定するため、GM 冷凍機で冷却した低温シリカエアロゲルにおける放出 Ps 温度を評価すべく、Ps 飛行時間 (Ps Time-of-Flight, Ps-TOF) 測定を行った。結果は現在解析中であるが、講演では測定結果を紹介するとともに、Ps-BEC 実現に向けた今後の Ps 生成材開発方針について議論する。

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ポジトロニウムのボース・アインシュタイン凝縮 高密度化・冷却の現状と今後の方針

石田 明, 牧和真, R. W. Gladen +9 more

物質優勢宇宙の謎を解明するための反物質重力測定や 511 keV ガンマ線レーザーを実現することを目指し、電子とその反粒子（陽電子）の束縛系であるポジトロニウム (Ps) のボース・アインシュタイン凝縮の実現を試みている。これには①高密度陽電子発生、②高効率 Ps 生成、③Ps 高速冷却、の 3 つの要素技術開発が必要となる。このうち、②および③に関連する Ps 生成材には、(A) Ps 生成（Ps 生成率 50 %以上）、(B) Ps 濃縮+熱化冷却（50—100 nm 程度の細孔）、(C) Ps レーザー冷却（243 nm 紫外光透過率 80 %以上）の 3 つの機能が要求される。シリカ（二酸化ケイ素、SiO2）エアロゲルが候補材料の一つであり、これまでに、Ps 生成率や空孔中での Ps 寿命、Ps 熱化冷却効率などの評価を進め、シリカエアロゲル表面から真空中に放出した Ps のレーザー冷却に成功するなど、その有用性が示されてきた。一方、2P 状態に励起された Ps (2P-Ps) が空孔中で瞬時に消滅してガンマ線になる現象が、Ps-BEC 実現に必要な空孔中での Ps レーザー冷却を阻害するため、その原理解明が喫緊の課題となっている。本講演では、高密度 Ps 生成・冷却手法開発の最新の状況について概要を紹介し、今後の課題とその解決方針について議論する。

•Mar 18, 2024•0 citations

ボース・アインシュタイン凝縮を目指した 高密度・低温ポジトロニウム生成材の開発

石田 明, 難波 俊雄, 大島 永康 +7 more

ポジトロニウムのボース・アインシュタイン凝縮（Ps-BEC）状態では、集団中のほぼすべての原子が単一の量子状態（基底状態）になることを利用して、位相の揃った消滅ガンマ線レーザー光を生成できると期待されている。Ps-BEには、Ps 生成・濃縮・冷却の 3 機能を持つ多孔質ナノ材料の開発が必須である。シリカエアロゲルは有力な候補材料の一つであり、検証実験を行っている。現在、紫外レーザーを使ったPs冷却実験を行っている。真空中でPs 一次元レーザー冷却に成功したが、レーザー冷却を阻害する急速なPs崩壊が観測された。これはPsが波長243 nm付近でのみ生じる2P状態になって崩壊していると考えられる。そこで試料温度を変化させて2P-Ps崩壊率の測定を行ったところ、平均自由行程の変化から予測された寿命値に相当する崩壊率が測定された。今後はこの結果を用い、BEC 実現に最適な Ps 生成材の開発を進める予定である。

•Sep 17, 2024•0 citations

ボース・アインシュタイン凝縮を目指した高密度・低温ポジトロニウム生成材の開発

Ishida Akira, Namba Toshio, OSHIMA Nagayasu +7 more

•Jan 1, 2025•0 citations

軌道フェッシュバッハ共鳴を有するフェルミ原子気体における強結合効果

ダイスケ イノタニ, Daisuke Inotani, 太輔 猪谷

本研究ではまず, 軌道フェッシュバッハ共鳴を有する4成分フェルミ原子気体における対形成揺らぎの影響を理論的に解明するため, 本系を記述可能な強結合理論の構築を行った。本系に対して強結合効果を理論的に取り入れると, 理論に発散が生じてしまうことが知られている。従来のアプローチでは, 数値的なカットオフパラメータを導入することによってこれを避けていたが, 本研究では人工的なパラメータなしに系の性質を記述することに成功した。さらに構築された理論を用いて, 状態密度の解析を行うことにより, この系における擬ギャップ現象を明らかにした。擬ギャップ現象は, 強く相互作用するフェルミ粒子系において, 超流動転移温度以上においても, 超流動状態でみられるようなギャップ構造が, 状態密度や1粒子励起スペクトルに生じる現象であり, 超流動の前駆現象として知られている。従来のｓ波相互作用する2成分フェルミ原子気体におけるBCS-BECクロスオーバー現象では, 相互作用を強くするにつれてエネルギースケールが大きくなり, 擬ギャップ構造は徐々に顕著になることが知られている。しかしながら, 本研究の結果, 軌道フェッシュバッハ共鳴を有する4成分フェルミ原子気体の場合, 占有する原子数の多い2成分(open channel)の状態密度は従来と同様の振る舞いが見られるが, 占有する原子数の少ない2成分(closed channel)の状態密度においては, 相互作用を弱くするにつれて擬ギャップのサイズが大きくなりながら消えていくという全く異なる振る舞いが生じることを理論的に明らかにした。さらに, この現象の観測可能性について明らかにするため, 現在, フェルミ原子気体の実験において, 原子を捕獲するために用いられるトラップポテンシャルの影響を理論的に取り入れ, 観測可能量であるphotoemissionスペクトルの解析を行っている。 We theoretically investigated effects of pairing fluctuations in a 4-component Fermi gas with an orbital Feshbash resonance. It has been known that in a model describing this system, an experimentally inaccessible bound state is included. In the previous works, the contribution from this state is removed by introducing a cutoff parameter. In this work, we successfully removed this bound state from the theory without using the artificial cutoff parameter. Calculating the density of states (DOS), the pseudo gap phenomena, in which a dip structure as shown in the superfluid phase appears in DOS even above the superfluid transition temperature, in this system was theoretically investigated. In the BCS-BEC crossover in a conventional s-wave interacting Fermi gas, the psudogap structure is known to become remarkable as increasing the interaction strength. On the other hand, we found that, while the same interaction dependence was show in the DOS of the open channel atoms, the pseudogap in the DOS of the closed channel atoms gradually disappears as decreasing the interaction strength, but its size becomes larger at the same time. To check the possibility of the experimental observation of this novel pseudogap phenomenon, we are now investigating the photoemission spectrum of this system by including the effects of the trap potential within the local density approximation.

•Jan 1, 2017•0 citations

Impact of helium ion irradiation on the thermal properties of superconducting nanowire single-photon detectors

Yiyu Hong, Yu-Ze Wang, Weijun Zhang +12 more

Abstract Superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs) offer high system detection efficiency (SDE), low dark counts, and excellent timing resolution, making them indispensable for applications from quantum optics to deep-space optical communications. Although near-unity SDE and intrinsic detection efficiency (IDE) have been achieved at near-infrared wavelengths through advanced fabrication and optical design, further improving IDE at the material and device levels remains essential for achieving broader bandwidths, higher operating temperatures, and simplified processing. Here, we explored helium ion irradiation as a post-fabrication method to modify the thermal properties of NbN SNSPDs without altering their geometry or material stack. With increasing fluence (0–1.1 × 10 17 ions cm −2 ), the thermal boundary conductance decreases by 57% from 127 W m −2 K −4 to 54 W m −2 K −4 , and saturates near 9 × 10 16 ions cm −2 . At this fluence, the minimum hotspot relaxation time increases by 41%, rising from 17 ps to 24 ps, while the electron–phonon interaction time decreases, with the magnitude of change depending on temperature and sample batch. Transmission electron microscopy reveals interfacial disorder near the NbN/SiO₂ interface (6–8 nm) and localized defects in the SiO₂ layer (30–260 nm), correlating with thermal transport suppression. These thermal modifications have a significant impact on relaxation dynamics and contribute to IDE enhancement. Our findings establish ion irradiation as an effective strategy for thermal tuning in SNSPDs, providing new insights into defect engineering for superconducting optoelectronic devices.

arXiv:2504.02405•Superconductor Science and Technology•Oct 29, 2025•2 citations

一次元量子スピン系におけるフラストレーション誘起相転移(新奇な秩序を持つ系での相転移,研究会報告)

昌久 古賀, 則雄 川上

一次元量子 スピン系におけるフラス トレーション誘起相転移 大阪大学大学院工学研究科 古賀 昌久, 川上則雄 最近､低次元量子系において フラス トレー ションに関す る研究が盛んになされている｡典型的 な物質 と して知 られてい る銅酸化物 s r c u 2 ( B OB ) 2 [ 1 】 おいては､幾何学的な直交 ダイマー構造 に 起因するフラス トレーシ ョンによ り､分散のない励起や磁化プラ トーな どの興味深い現象が見出 されてお り､その磁気的性質を記述す る S h a s t r y -S u t h e r l a n d模型 【 2 , 3 ] が注 目されている｡ さら に最近､T N-2 .4 K において反強磁性相転移を起 こす直交ダイマー系 N d 2 B a Z n 05 ( J-9 / 2 ) [ 4 ] が合成 され､フラス トレー ト 系 における 量子スピン( S≧1 / 2 ) の効果が注 目されているo しか し なが ら､任意ス ピンを もつ直交ダイマー系の量子相転移に関 しては､理論的な取 り扱いが難 しく な ってお り､今なお問題が残 されたままとな っている｡ 図 1 : 直交ダイマー模型:太線､実線､破線はそれぞれ交換相互作用の大きさの違いを表 している｡ われわれは以前､任意ス ピンβを持つ直交 ダイマー鎖を取 り扱い､交換相互作用の大

物性研究•Feb 20, 2003•0 citations
物質優勢宇宙の謎を解明するための反物質重力測定や 511 keV ガンマ線レーザーを実現することを目指し、電子とその反粒子（陽電子）の束縛系であるポジトロニウム (Ps) のボース・アインシュタイン凝縮の実現を試みている。これには高効率なPs生成材が必須であり、①生成（Ps 生成率 50 %以上）、②濃縮+熱化冷却（50—100 nm 程度の細孔）、③レーザー冷却（243 nm 紫外光透過率 80 %以上）の3機能が求められる。低温シリカ（二酸化ケイ素、SiO2）エアロゲルは候補材料の一つであり、本講演では、GM 冷凍機で冷却したシリカエアロゲルに関する性能評価試験結果について報告する。性能評価には密度 0.12 g cm−3、空孔径 45 nm、厚さ 0.5 mm のシリカエアロゲルを用いた。低温材料中での Ps 熱化冷却効率を測定するため、GM 冷凍機で冷却した低温シリカエアロゲルにおける放出 Ps 温度を評価すべく、Ps 飛行時間 (Ps Time-of-Flight, Ps-TOF) 測定を行った。結果は現在解析中であるが、講演では測定結果を紹介するとともに、Ps-BEC 実現に向けた今後の Ps 生成材開発方針について議論する。
物質優勢宇宙の謎を解明するための反物質重力測定や 511 keV ガンマ線レーザーを実現することを目指し、電子とその反粒子（陽電子）の束縛系であるポジトロニウム (Ps) のボース・アインシュタイン凝縮の実現を試みている。これには①高密度陽電子発生、②高効率 Ps 生成、③Ps 高速冷却、の 3 つの要素技術開発が必要となる。このうち、②および③に関連する Ps 生成材には、(A) Ps 生成（Ps 生成率 50 %以上）、(B) Ps 濃縮+熱化冷却（50—100 nm 程度の細孔）、(C) Ps レーザー冷却（243 nm 紫外光透過率 80 %以上）の 3 つの機能が要求される。シリカ（二酸化ケイ素、SiO2）エアロゲルが候補材料の一つであり、これまでに、Ps 生成率や空孔中での Ps 寿命、Ps 熱化冷却効率などの評価を進め、シリカエアロゲル表面から真空中に放出した Ps のレーザー冷却に成功するなど、その有用性が示されてきた。一方、2P 状態に励起された Ps (2P-Ps) が空孔中で瞬時に消滅してガンマ線になる現象が、Ps-BEC 実現に必要な空孔中での Ps レーザー冷却を阻害するため、その原理解明が喫緊の課題となっている。本講演では、高密度 Ps 生成・冷却手法開発の最新の状況について概要を紹介し、今後の課題とその解決方針について議論する。
ポジトロニウムのボース・アインシュタイン凝縮（Ps-BEC）状態では、集団中のほぼすべての原子が単一の量子状態（基底状態）になることを利用して、位相の揃った消滅ガンマ線レーザー光を生成できると期待されている。Ps-BEには、Ps 生成・濃縮・冷却の 3 機能を持つ多孔質ナノ材料の開発が必須である。シリカエアロゲルは有力な候補材料の一つであり、検証実験を行っている。現在、紫外レーザーを使ったPs冷却実験を行っている。真空中でPs 一次元レーザー冷却に成功したが、レーザー冷却を阻害する急速なPs崩壊が観測された。これはPsが波長243 nm付近でのみ生じる2P状態になって崩壊していると考えられる。そこで試料温度を変化させて2P-Ps崩壊率の測定を行ったところ、平均自由行程の変化から予測された寿命値に相当する崩壊率が測定された。今後はこの結果を用い、BEC 実現に最適な Ps 生成材の開発を進める予定である。
本研究ではまず, 軌道フェッシュバッハ共鳴を有する4成分フェルミ原子気体における対形成揺らぎの影響を理論的に解明するため, 本系を記述可能な強結合理論の構築を行った。本系に対して強結合効果を理論的に取り入れると, 理論に発散が生じてしまうことが知られている。従来のアプローチでは, 数値的なカットオフパラメータを導入することによってこれを避けていたが, 本研究では人工的なパラメータなしに系の性質を記述することに成功した。さらに構築された理論を用いて, 状態密度の解析を行うことにより, この系における擬ギャップ現象を明らかにした。擬ギャップ現象は, 強く相互作用するフェルミ粒子系において, 超流動転移温度以上においても, 超流動状態でみられるようなギャップ構造が, 状態密度や1粒子励起スペクトルに生じる現象であり, 超流動の前駆現象として知られている。従来のｓ波相互作用する2成分フェルミ原子気体におけるBCS-BECクロスオーバー現象では, 相互作用を強くするにつれてエネルギースケールが大きくなり, 擬ギャップ構造は徐々に顕著になることが知られている。しかしながら, 本研究の結果, 軌道フェッシュバッハ共鳴を有する4成分フェルミ原子気体の場合, 占有する原子数の多い2成分(open channel)の状態密度は従来と同様の振る舞いが見られるが, 占有する原子数の少ない2成分(closed channel)の状態密度においては, 相互作用を弱くするにつれて擬ギャップのサイズが大きくなりながら消えていくという全く異なる振る舞いが生じることを理論的に明らかにした。さらに, この現象の観測可能性について明らかにするため, 現在, フェルミ原子気体の実験において, 原子を捕獲するために用いられるトラップポテンシャルの影響を理論的に取り入れ, 観測可能量であるphotoemissionスペクトルの解析を行っている。 We theoretically investigated effects of pairing fluctuations in a 4-component Fermi gas with an orbital Feshbash resonance. It has been known that in a model describing this system, an experimentally inaccessible bound state is included. In the previous works, the contribution from this state is removed by introducing a cutoff parameter. In this work, we successfully removed this bound state from the theory without using the artificial cutoff parameter. Calculating the density of states (DOS), the pseudo gap phenomena, in which a dip structure as shown in the superfluid phase appears in DOS even above the superfluid transition temperature, in this system was theoretically investigated. In the BCS-BEC crossover in a conventional s-wave interacting Fermi gas, the psudogap structure is known to become remarkable as increasing the interaction strength. On the other hand, we found that, while the same interaction dependence was show in the DOS of the open channel atoms, the pseudogap in the DOS of the closed channel atoms gradually disappears as decreasing the interaction strength, but its size becomes larger at the same time. To check the possibility of the experimental observation of this novel pseudogap phenomenon, we are now investigating the photoemission spectrum of this system by including the effects of the trap potential within the local density approximation.
Abstract Superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs) offer high system detection efficiency (SDE), low dark counts, and excellent timing resolution, making them indispensable for applications from quantum optics to deep-space optical communications. Although near-unity SDE and intrinsic detection efficiency (IDE) have been achieved at near-infrared wavelengths through advanced fabrication and optical design, further improving IDE at the material and device levels remains essential for achieving broader bandwidths, higher operating temperatures, and simplified processing. Here, we explored helium ion irradiation as a post-fabrication method to modify the thermal properties of NbN SNSPDs without altering their geometry or material stack. With increasing fluence (0–1.1 × 10 17 ions cm −2 ), the thermal boundary conductance decreases by 57% from 127 W m −2 K −4 to 54 W m −2 K −4 , and saturates near 9 × 10 16 ions cm −2 . At this fluence, the minimum hotspot relaxation time increases by 41%, rising from 17 ps to 24 ps, while the electron–phonon interaction time decreases, with the magnitude of change depending on temperature and sample batch. Transmission electron microscopy reveals interfacial disorder near the NbN/SiO₂ interface (6–8 nm) and localized defects in the SiO₂ layer (30–260 nm), correlating with thermal transport suppression. These thermal modifications have a significant impact on relaxation dynamics and contribute to IDE enhancement. Our findings establish ion irradiation as an effective strategy for thermal tuning in SNSPDs, providing new insights into defect engineering for superconducting optoelectronic devices.
一次元量子 スピン系におけるフラス トレーション誘起相転移 大阪大学大学院工学研究科 古賀 昌久, 川上則雄 最近､低次元量子系において フラス トレー ションに関す る研究が盛んになされている｡典型的 な物質 と して知 られてい る銅酸化物 s r c u 2 ( B OB ) 2 [ 1 】 おいては､幾何学的な直交 ダイマー構造 に 起因するフラス トレーシ ョンによ り､分散のない励起や磁化プラ トーな どの興味深い現象が見出 されてお り､その磁気的性質を記述す る S h a s t r y -S u t h e r l a n d模型 【 2 , 3 ] が注 目されている｡ さら に最近､T N-2 .4 K において反強磁性相転移を起 こす直交ダイマー系 N d 2 B a Z n 05 ( J-9 / 2 ) [ 4 ] が合成 され､フラス トレー ト 系 における 量子スピン( S≧1 / 2 ) の効果が注 目されているo しか し なが ら､任意ス ピンを もつ直交ダイマー系の量子相転移に関 しては､理論的な取 り扱いが難 しく な ってお り､今なお問題が残 されたままとな っている｡ 図 1 : 直交ダイマー模型:太線､実線､破線はそれぞれ交換相互作用の大きさの違いを表 している｡ われわれは以前､任意ス ピンβを持つ直交 ダイマー鎖を取 り扱い､交換相互作用の大