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【COVID19】Scilab/XcosでSIRモデルのシミュレーション 2020.04

森永研究室

レーザーセンター屋上にて（2021.11）

2023年度卒研配属案内

2022年度の在籍者はM2x2名、M1x3名、卒研生2名で2023年度も同程度の予定です。
日程を決めての研究室説明会は行いませんが興味を持った人は森永（メールアドレスは一番下にあります）まで気軽に連絡ください。

最近スタートした研究として水素原子のレーザー冷却があります。下に簡単な説明を追加しました。

Nayak研（量子光学）、桂川研・大饗研（水素原子）とも連携があります。特にNayak研とはミーティングを合同で行なうなど密接な関係にあります。

研究室紹介

研究テーマ

量子物理学・量子エレクトロニクス

2018-2022年度卒研・修論テーマ

・　単一光子源の開発（量子光通信・量子暗号）
・　非対称振動による表面吸着粒子の操作（＋アクチュエータの開発）
・　不透明マスク列による導波路
・　中性原子のレーザー冷却・原子光学・原子線ホログラフィー・量子反射

以前の研究室訪問ツアーのpdf資料（だいぶ古いです）

量子光通信

テーパー状光ファイバーチップを用いた単一光子源の開発

現在量子通信の実用化に最も近い通信方式は量子情報の担い手として単一光子を用いるものである。その実現のためには単一光子をオンデマンドで発生することに加えて、発生した光子を通信路である光ファイバーに高効率で結合させることが不可欠であり、発生光子の光ファイバー端へのレンズによる集光や光共振器による共鳴を用いたものなど新旧様々な結合方式が提案され試みられている。
最も単純なアイデアとしては光ファイバー端の中央に量子ドット等の単一光子源を装着すればよいのでは、と考えるであろうがこれでは発生した光子のうち光ファイバーの伝播モードに結合するのは数パーセントに留まる。

つづき

低い結合効率はファイバーコアとクラッドの屈折率差が小さいことからくるものであり、光ファイバーをテーパー状に断熱的に引き伸ばし先端部分ではクラッド部分も含めて単一モードになるように加工することにより結合効率を20-30パーセントまで向上させることが可能である。このような形状に加工したファイバーチップに単一発光体を取り付ける試みは既に行われているが、単一発光体のファイバー端への移動には原子間力顕微鏡チップを用いられており、発光体のつまみ上げ、配置の双方とも確率的過程であるため結合デバイスの作製には非常な労力を要する。

自作のファイバー加工機

加工したファイバー先端
我々の計画は光ピンセットの技術を用いて発光体をその分散溶液中で捕捉光を通したテーパー状光ファイバーチップ先端に捕捉し、捕捉光をONのまま溶液から取り出し、溶媒が蒸発するのを待つことにより発光体がファイバー端の中央に自動的に配置される、というものである。溶液中で捕捉した段階で分光的選別を行えるのもこの方法のメリットである。テーパー状光ファイバーチップによる溶液中のトラップでは概して軸方向の光による捕捉力が不足するが表面近傍ではファンデルワールス力が加わり粒子が表面に吸着することも知られている。ただしうまくファイバー端中央に吸着するかどうかは実験で確かめる必要がある。
CO₂レーザー・マイクロガストーチを用いたファイバー加工機を開発・製作し、概ね所望の形状の加工ができるようになってきたので、今後発光体の捕捉・配置の実験を進めていく予定である。

科学研究助成事業基盤研究(C)

原子光学（光の代わりに原子（波）を用いた光学）

レンズ

鏡

原子波の操作

量子反射

原子線ホログラフィー

原子のトラップ・冷却法

水素原子の精密分光・レーザー冷却

桂川・大饗研究室（量子科学研究センター）・岩國研究室（レーザー新世代研究センター）と連携した水素原子の精密分光・レーザー冷却の研究がスタートしました。
水素原子は原子に対応する反物質である反原子（原子の構成要素をそれぞれその反粒子に置き換えたもの）を地球上で作ることができる唯一の原子であるため、物理学の基礎理論の種々の対称性の破れの実験的検証等に極めて重要な位置にありますが、それに加えて反水素原子が持つキャッチーな側面としてはレーザー冷却を行なって捕捉した状態から解放することにより、物質と反物質の間に働く重力が引力か斥力か決定できるということがあります。つまり地球に向かって落ちていけば引力、逆に上昇していけば斥力ということになります。

つづき

標準的な物理理論では重力は「万有引力」であり反物質も例外ではない、とされるわけですが、一方で我々の（身近な）宇宙には反物質が圧倒的に少ない、という現在説明ができていない事実もあり、物質ー反物質の重力相互作用は誰も見たことがない以上実験的に検証されるべき事柄です。水素原子のレーザー冷却の実現には様々な技術的困難を乗り越える必要がありますが、その価値がある研究対象です。

微小物体と固体表面との相互作用の操作

非対称振動による1Dアクチュエータ

現在行なっている研究は古典力学の領域を出るものではありませんが、将来的には微小物体と固体表面の相互作用を量子的に（真空の揺らぎを介して）制御する方向につなげる計画です。ナノマシンの動作などでは重要になります。

非対称振動による表面吸着粒子の輸送とアクチュエータへの応用

1Dアクチュエータ

動作原理

アクチュエータは水平な台の上に置かれその上を運動する。アクチュエータは伸縮する圧電素子(以下PZT)を挟んでA、Bの部分に分かれていて Aに比べてBのほうが質量はずっと大きいが、A、Bがそれぞれ台に接している脚にかかる荷重はBよりAのほうが大きくなるように重心が設計されている。そこでPZTがゆっくり伸縮するときは摩擦が小さいBの脚が滑り(図中)、一方急速に伸縮するときは慣性からAの脚が滑る(図下)。従って図のようなノコギリ刃状の時間波形をPZTに加えるとアクチュエータは右に動き、ノコギリ波の向きを反対にすると左に動く。

2Dアクチュエータ

3Dプリンタで出力された2Dアクチュエータ

PZTを3つ用いると平面上に置かれた剛体の3つの自由度（XY方向の並進＋回転）の操作を実現することができる。

光学

天体観測のための赤道プラットフォーム（回転軸を自由に設定できるキネマチックマウント）

載せた観測機器と共に天体の日周運動を追う「平らな台」である。

原理

（キネマチック～とは剛体が持つ6つの自由度を明示的に過不足なく指定することにより剛体を保持・固定する方法のことで現代の多くのミラーマウントはこの原理に基づいている）

↑平らな台（下部プラットフォーム）の上に置かれて3つの頂点で支えれている直角三角形ABC（上部プラットフォーム）を考える。直角の頂点Bの位置は固定、頂点Aは台の上面上を自由に動くことができる。頂点Cを下部プラットフォーム上を動かすと上部プラットフォームは下部プラットフォームの法線の周りを回転する（下図左）。一方頂点Cを垂直方向に動かすと「水平」軸ABの周りを回転する（下図右）。下の4つの図は左から頂点Cを動かす方向を「水平」から30°ずつ垂直まで変化させたときの様子である。

このようにC点を動かす方向によって上部プラットフォームの回転軸の方向を任意に設定することができる。

試作1号機

exp1m.jpg exp1_1.gif exp1_2.gif exp3.gif exp3c.jpg

試作2号機

観測機器を載せる「台」としては上部プラットフォームを支える3点は（直角三角形ではなく）正三角形の頂点に位置することが望ましい。キネマチックの原理を保持しつつそうなるように新しく設計したのが試作2号機である。

つづき

工事中

ピンホール列による光のガイド

同一径のピンホールを直線上に並べた「導波路」。幾何光学的には間にあるピンホールは何の役にも立たないが単位長さ当たりのピンホールの枚数 Nに対し損失は1/√Nで減少する。

ピンホール列を用いた光のガイドの試作藤井君の卒研発表ポスター（レーザー研発表会2014春・pdf）
ピンホール列による光のガイド日本物理学会講演資料（2013春・pdf）

科学研究助成事業基盤研究(C)