近年、格段に進歩した最先端のレーザー技術を駆使した特筆すべき研究として、原子の気体を高精度なレーザー光によって冷却する方法、いわゆる「レーザー冷却」と言われるものがあり、原子はナノケルビン領域にまで冷却され、そこでは、「量子力学」がその運動を支配しています。また、研究の対象は、一個一個の原子だけでなく、超低温の原子集団からなる量子多体系、特に強相関系にまで及んでいます。物性物理学の諸問題に対して、全く新しい、かつ制御性の高い実験系が提供されて、従来の固体物理学の枠を超えた全く新しい可能性が開けてきたと言えます。まさに、「冷えた」原子の研究がとても「熱い」、という状況です。 量子光学研究室では、イッテルビウム原子気体について、ボース・アインシュタイン凝縮や、フェルミ縮退といった状態についての研究を行っています。研究室ロゴは、原子の速度分布をプロットしたものです。右上にいくにつれて温度が下がり、速度の遅い成分であるボース凝縮体が成長していく様子がわかります。 現在進行中の具体的な研究テーマは、以下の通りです。いずれも現在、活発に研究されている分野における、ユニークで新規性の高いものです。 また、本研究室は、H26年度から、理学研究科の量子光学特別講座の教員（特定准教授1名、特定助教2名）と「光格子中イッテルビウム量子気体の究極的操作・観測が拓く新奇量子凝縮相研究の新展開」について、密接な共同研究を行っています。

光格子による量子シミュレーションー光の結晶に原子を閉じ込めた仮想固体

高いスピン自由度SU(6)を有するフェルミオン系の量子磁性の研究、非標準型のリープ光格子による量子磁性の研究、超寿命の準安定電子励起状態を駆使した高分解能分光やフェッシュバッハ共鳴の研究、光により原子間相互作用を制御する新しい方法の開発、トポロジカル状態や量子アニーリングの実現にむけた研究、などを行っています。

イッテルビウム原子の量子気体顕微鏡ー光の波長間隔で配置した原子１つ１つを直接”見る”

光格子中の単一格子点観測および制御を可能にする原子イメージング・操作法の開発を目指して研究しています。これにより、強磁性相の研究や量子計算への応用が期待できます。

量子混合気体によるアンダーソン局在の研究ー光格子中に制御された不純物を導入する

光格子中のイッテルビウムとリチウムの混合系は、不純物系の量子シミュレーションを実現するのに理想的な系です。イッテルビウムは固体中に局在する不純物、リチウムは固体中の電子に類似しており、高温超伝導やアンダーソン局在等の量子シミュレーション、アンダーソンの直交定理の研究、などへの応用が期待できます。

高分解能レーザー分光による近距離重力検証ーレーザー冷却原子の基礎物理へのユニークな応用

ボース凝縮体を用いて、超高分解能な光会合分光法を行うことによって、超低温の分子の束縛エネルギーを測定することが可能です。この測定を系統的に行うことによって、ナノスケールでの原子間に働く力の検証を行おうとしています。特に、余剰次元などの理論により期待される重力補正項の大きさを評価する 新しい可能性を追求しています。