Morinaga MAKOTO (森永 実)

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research, Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 15100000, indirect: 2430000)
光波長の約1/2の直径の極細光ファイバー(ナノ光ファイバー)により原子と光子を操作する方法について実験及び理論の両面から研究を行った。原子としてレーザー冷却したセシウム原子を用い、ナノ光ファイバーにより原子の自然放出は操作・制御できることを実証した。自然放出光は自由空間と大きく異なり、ファイバーの伝播モードへ効率良く放出される。また、単一から少数個の原子の量子光学的振舞いを光子相関計測により系統的に研究した。更に、原子表面相互作用の高精度計測にも道を拓いた。

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research, Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 10900000, indirect: -)
We studied the quantum reflection of the metastable helium atoms on a flat polished silicon surface. We measured the reflectivity as a function of the normal incident velocity component between 3 and 30 cm/s, and confirm that on a flat surface the reflection of atoms is caused by the attractive van der Waals potential. In our case the atoms are mainly reflected in a region where the retardation effect leads to a potential of the approximate form, U(z)=-C_4/z^4 where z is the distance from the surface. We also studied the reflection and diffraction on surface structures consisting of parallel narrow ridges. The structure consists of wall-like ridges at a distance of L=5μm and with a width at the top of l=100nm. We observed on this structure an increase of the reflectivity by two orders of magnitude, exceeding 10% for normal incident velocities below about 25cm/s. At grazing incidence even fast atoms of 100m/s can be reflected very efficiently at such a surface structure.
In order to quantitatively describe our data, we have developed a theoretical description of the reflection and scattering of atomic waves from our surface structures. As a first approximation we can assume that the van der Waals constant is reduced by a factor l/L, where l is the size at the top of the ridges and L the distance between the ridges. The reflectivity on the ridges structures then follows immediately from the scaling law of the quantum reflection. Deviations appear when the ratio l/L is very small. In the limiting case of l/L→0, i.e. of idealized thin ridges, a new interesting effect can be observed: The atomic wave is reflected due to the Fresnel diffraction at the array of ridges.

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research, Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas, Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 141700000, indirect: -)
We have worked in three areas of atom optics. (1)The development of atom optics components by Shimizu's group, (2)the study of atom chips with Rb BEC by Nakagawa's group, and (3)atom interferometries by Morinaga's group. (1) Various components were demonstrated by using an ultra-cold metastable neon atomic beam. The focusing of an atomic beam with a static electric lens, arbitrary patterning of an atomic beam with a transmission type hologram made of SiN thin film were demonstrated. By depositing electrodes on the hologram of the SiN film we demonstrated real time control of holographic image of atoms. The group also experimentally verified quantum reflection on a solid surface for the first time. Furthermore, they found mat the reflectivity can be improved remarkably by modifying me slid surface. This result was applied to make a reflective type hologram, beam splitter and one dimensional focusing lens. (2) Nakagawa's group developed a rubidium BEC (the third in this country). Loading of atoms from BEC in mind, they constructed an atom chip consisting of miniature wires carrying current to guide and trap atoms. Preliminary experiment of loading laser cooled atoms was verified. The group also worked on a rubidium atom interferometer that is aimed to measure gravity G constant. (3) Morinaga's group studied on a thermal calcium atom interferometer and a laser cooled sodium atom interferometer. With calcium they measured Aharonov-Casher phase shift with an accuracy better than 3%. With sodium they demonstrated time-domain multiple interferometer that had a finesse better than 100.

Offer Organization: 日本学術振興会, System Name: 科学研究費助成事業, Category: 奨励研究(A), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 800000, indirect: -)
原子のレーザー冷却の技術が発展する中、原子光学の実現に向けて原子結像系の開発が急がれているが、いまだ実用化に到っていない。
我々は昨年夏世界に先駆けて原子線による像再生「原子線ホログラフィー」に成功したが、原子結像系を用いなかったため、いわばレンズを使ったカメラに対するピンホールカメラのようなもので、その解像度は低く再生した像は1文字「F」という簡単なものであった。
そこで当初の計画とは多少異なるが、ホログラム自体に凸レンズの機能を組み込むことを行った。すなわちホログラムのパターンを計算する際に入射する原子波を球面波であり、またスクリーンが有限の距離にあることを考慮に入れ、別途の結像系を用いることなくても一点から出射した原子がスクリーン上でシャープな像を結ぶように設計したのである。このことにより長さ0.7mm、解像度50ミクロン程度の3文字の像再生に成功した。また近々20文字程度の像再生が可能となる予定である。
ところでこのようにして得られる再生像の解像度は、理論的な検討を行った結果ホログラムのパターンのピッチ程度よりは良くならないことが判った。これはこの方法では回折せずに透過してくる原子による0次のスポットが有限の大きさを持ちホログラムをスクリーンに近づけることを妨げるために、開口指数NAを大きく取れないからである。折角原子は波として短い波長を持つのであるからこれは残念である。そこでこれを回避するためにホログラムと電場による結像系を併用する像再生の実験を計画している。

Offer Organization: 日本学術振興会, System Name: 科学研究費助成事業, Category: 奨励研究(A), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 800000, indirect: -)
本研究の目的は、AC電場を用いて中性粒子を種類を問わずトラップすることである。
理論面ではその安定性について我々は既にある程度解析を行っていたが、それらは安定度を定量的に評価するために、線形化した運動方程式を用いていた。AC電場を用いた中性粒子のトラップのポテンシャルは既ねRFイオントラップとのアナロジーが成り立つが、前者の場合、後者と異なり電極の形状を工夫しても非線形項を完全に取り除くことは原理的に不可能である。そこで非線形項の小さい電極形状を考察するとともに、非線形項も含めた完全な運動方程式を用いて安定性の解析を行った。非線形項を含めると解が本質的に不安定になることが密かに心配されたが、解析の結果定性的には線形化した場合と同様の結果を得た。ただし、非線形項を含めると解の安定領域はある程度狭くなる。
実験の法であるが、光磁気トラップ(MOT)から落ちてくるSr原子に下から^1S->^3Pの弱い遷移の光をあて、等速度でその下に置いたAC電場トラップの中にロードするというのが当初の計画であったが、ロードされる原子の絶対数が少ないこと(数10個/秒)と観測にも使っている弱い遷移が「弱い」(自然幅約 600Hz)こともありトラップを観測するには至っていない。今後ロードする原子数を増やすとともに、弱い遷移を観測する際の立体角を大きくする努力が必要と思われる。

Offer Organization: 日本学術振興会, System Name: 科学研究費助成事業, Category: 試験研究(B), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 4500000, indirect: -)
ジャイロ干渉計の位相感度は2mωS/hで与えられるので、干渉計が囲む面積Sを大きくすることが望ましい。また、将来実用化されるためには、信頼性が高い半導体レーザーが使える方がよい。これらのことを考慮して、我々が今まで研究してきたNeの代りにArを用いた干渉計を試作することにし、設計を行った。Sを大きくするため、ダブルスリットに代えて回折格子をビームスプリッターとする干渉計を組むことにした。回折格子の採用は、我々が開発した静電的な原子レンズ利用や、ビーム合成時に同じ回折格子を使ってパターンマッチングによる干渉の検出が出来るため、今までよりはるかに検出原子数を大きくすることが出来ると結論された。実験は、他の研究と干渉しないように独立した真空装置を組み立てたため、若干予定より遅れているが、現在、2μmピッチの回折格子による回折実験に成功し、目下、ビームの合成実験を行う段階である。