光格子中のボース粒子に対する分光解析

　光格子中の冷却原子気体は、その制御性の高さから固体物理などの量子多体問題に対する量子シミュレータとして期待されている。実際に、格子の深さを調節しパラメータを自在に調整することで、ボソンが示す超流動‐モット絶縁体相転移など、さまざまな量子相転移が観測されている[1]。従来、量子相転移の同定は、タイム・オブ・フライト法を用いた超流動相のコヒーレンス測定[1]のように、特定の量子相が出現しているシグナルとその消失を観測する事で行われてきた。そのため、両相にまたがる系統的な測定はあまり行われておらず、相転移近傍の詳細についてもこれまでほとんど議論されていなかった。
　我々は、京都大学と連携して、光格子中のボース原子気体を高精度に分光する実験手法[2]、および、その理論的な解析手法[3]を確立した。我々は、この分光法を用いて、光格子中のボソンのスペクトルを浅い格子から深い格子まで系統的に解析し、理論・実験で得られたスペクトルを詳細に比較した（図1）。その結果、局在的な量子状態（モット状態）と遍歴的な量子状態（超流動状態）が共存する領域があることをはじめて実証した[2]。このような共存の傾向をはっきり見ることのできる高精度の手法はこれまでになかった。また、この手法は、他の量子相転移の精密測定にも応用が期待できる一般的な手法である。
　本研究の一部はJST、CREST (JPMJCR08F5)およびJSPS科研費JP25287104の支援を受けたものである。