前回に引き続き、2018年度の46号目のネイチャーのハイライトより。
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量子物理学：極低温気体における普遍性の探索
Nature 563, 7730
2018年11月8日
量子物理学：極低温気体における普遍性の探索
Nature 563, 7730
2018年11月8日
孤立した量子多体系の非平衡ダイナミクスの解明は、物性物理学、高エネルギー物理学、宇宙論を含む物理学のいくつかの研究分野に関連している。この課題は、平衡統計力学が適用できなくなるため、困難なものとなる。同時に、これは新しい物質相の発見につながる可能性があるので、非常に期待されてもいる。非平衡不動点は、こうした複雑なダイナミクスを解明するカギの1つである可能性があり、検討している物理系のダイナミクスを初期条件に依存しない普遍関数によって記述できる。今回、3つのグループが、極低温気体においてそうした「普遍性の手掛かり」を実験的に観測したことを報告している。M Prüferたちは、クエンチした強磁性スピノール・ボース・アインシュタイン凝縮体に非平衡不動点が存在することを示す証拠を堤示し、このプレサーマル不動点が、出現した準保存量とどのように関係するか論じている。J Schmiedmayerたちは、同様の結論を報告しているが、Prüferたちとは非常に異なる系を調べている。その系では、急冷クエンチによって三次元ボース気体が変化して一次元準凝縮体になり、熱化してこの最終状態になる前に、無次元の普遍関数で記述される平衡から外れたスケーリング領域を通って、準一次元ボース気体が発展する。Z Hadzibabicたちは、異なるタイプの普遍性に注目し、ユニタリー性へクエンチした縮退ボース気体と熱的ボース気体のプレサーマルダイナミクスを調べている。縮退ボース気体では、凝縮割合が普遍的に非ゼロのプレサーマル状態の出現を示すクエンチ後の普遍的なダイナミクスが観測された。一方、熱的ボース気体では、その力学的特性と熱力学的特性を無次元の普遍関数によって表せることが見いだされた。これら3つの研究は、平衡から外れた量子系の多体ダイナミクスにおける普遍性を初めて実験的に調べたものである。
Letter p.217
Letter p.221
Letter p.225
News & Views p.191
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この3つの論文は、ネイチャーのニュースにも取り上げられました。
日本語版の本誌では「量子物理学：普遍性への渇望をクエンチで満たす」と題され、見出しにおいては、「平衡から遠く離れた量子系のダイナミクスの解明は、物理学における最も差し迫った課題の1つである。今回、極低温原子系に基づく3つの実験によって、この課題に大きな進歩が得られた。」と取り上げられています。
フルテキストを直訳しますと・・・
普遍性のための私たちの渇きを癒す
となり、見出しを直訳しますと・・・
平衡からかけ離れた量子系のダイナミクスを理解することは、物理学における最も差し迫った問題の1つです。超冷原子系に基づく3つの実験は大きな前進を提供します。
となります。
フルテキストは下記です。
Full Text：News & Views p.191
1つ目の論文・・・
日本語版の本誌では「量子物理学：平衡から遠く離れたスピノール・ボース気体における普遍的ダイナミクスの観測」と題されています。
フルテキストを直訳しますと・・・
平衡から遠いスピノルBoseガスにおける普遍的動力学の観測
となり、Abstractを直訳しますと・・・
平衡からかけ離れた量子系のダイナミクスを予測することは、理論上の多体物理学において最も困難な問題の1つです。多体システムの進化はその詳細のすべてにおいて一般的に扱い難いが、関連する観測量は微視的システムパラメータおよび初期条件に対して鈍感になる可能性がある。これが普遍性の現象の基礎です。均衡からかけ離れて、普遍性は普遍的な指数と関数によって捉えられた、システムの時空間的進化のスケーリングを通して識別されます。理論的には、これはインフレーション宇宙宇宙論[3,4]の再加熱過程、量子色力学[5,6]によって記述された核衝突実験のダイナミクス、および非相対論的量子場における希薄量子ガスのポストクエンチダイナミクスとして異なる例として研究されている理論[7、8、9、10、11]。しかし、量子多体系におけるそのような空間的および時間的なスケーリング進化の実験的実証は欠けていた。ここで我々は、準一次元スピノルBose – Einstein凝縮における空間分解スピン相関を評価することによって普遍的なダイナミクスの出現を観察します[12,13,14,15,16]。進化時間が長い場合は、スピン励起の空間相関からスケーリング特性を抽出します。これから、我々は創発的に保存された量と低運動量スケールへのスピン励起の輸送によって支配されるべきダイナミクスを見つける。我々の結果は、そのダイナミクスが時間に依存しないスケーリングの指数と関数で符号化され、非熱固定点の存在を示す重要なクラスの非定常系を確立している[10,17,18]。我々は、異なる初期条件を準備し、同じスケーリング挙動を観察することによって、非熱的スケーリング現象がパラメータの微調整を含まないことを確認する。我々のアナログ量子シミュレーションアプローチは、非熱的普遍性クラスの根底にあるメカニズムと特性を明らかにするための基礎を提供します。この普遍性を利用して、超冷気体ガスを用いた実験から、宇宙論や量子色力学で研究されている動力学の基本的側面について学ぶことができます。
となります。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：Letter p.217
Data availabilityによりますと・・・
本稿で提示されているデータは、合理的な要求に応じて対応する作者から入手可能です。
2つ目の論文は・・・
日本語版の本誌では「量子物理学：ユニタリー性へクエンチしたボース気体の普遍的なプレサーマルダイナミクス」と題されています。
フルテキストを直訳しますと・・・
ユニタリティに急冷されたBoseガスの普遍的な予熱動力学
となり、Abstractを直訳しますと・・・
クォークグルオンプラズマや中性子星などの強く相関した物質の相、特にハミルトニアンクエンチ（粒子間相互作用の強度などのハミルトニアンパラメータの突然の変化）に続くこのような系のダイナミクスの理解）は現代物理学における根本的な挑戦である。超冷原子ガスは、それらの調整可能な粒子間相互作用および実験的に解決可能な固有タイムスケールのために、これらの問題に対する優れた量子シミュレータである。特に、それらは、相互作用が量子力学によって許されるのと同じくらい強いユニタリー体制へのアクセスを提供する。この体制はフェルミガスで広く研究されています[1,2]。あまり研究されていない単一のBoseガス[3、4、5、6、7、8、9、10、11]は、ガス密度によってのみ制御される普遍的な物理学などの可能性[12、14]と新しい形態の超流動[15、16、17]を提供します。ここでは、運動量および時間分解の研究を通して、ユニタリティーに急冷された縮退および熱均質ボーズガスを探ります。縮退したサンプルでは、普遍的非ゼロ凝縮分率[22,24]をもつ予熱状態[18,19,20,21,22,23,24]の出現と一致して普遍的急冷後のダイナミクスを観察します。熱ガスでは、動的および熱力学的特性は一般にガス密度と温度に依存しますが、普遍的な無次元関数の観点からも表現できることがわかりました。驚くべきことに、我々は全クエンチ誘起相関エネルギーがガス温度と無関係であることを見出した。これらの測定は、ユニタリーボーズガスの理論に対する定量的ベンチマークと課題を提供します。
となります。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：Letter p.221
Data availabilityによると・・・
この研究の結果を裏付けるデータはApolloレポジトリ（https://doi.org/10.17863/CAM.30242）にあります。その他の情報は、合理的な要求に応じて対応する作者から入手できます。
3つ目の論文は・・・
日本語版の本誌では「量子物理学：平衡から遠く離れた孤立一次元ボース気体における普遍的なダイナミクス」と題されています。
フルテキストを直訳しますと・・・
平衡からかけ離れた孤立一次元Bose気体における普遍的動力学
となり、Abstractを直訳しますと・・・
平衡から遠く離れた孤立した量子系の振る舞いとその平衡を理解することは、量子多体物理学において最も差し迫った問題の1つです[1,2]。インフレーション後の初期宇宙[3、4、5、6]、重イオン衝突で生成されたクォークグルオン物質、[7、8、9]、および冷たい量子ガス[4、10]を含む、多種多様な系が平衡から十分に遠いという強い理論的証拠があります。 、[１１、１２、１３、１４]－それらの初期状態またはマイクロスケール特性とは無関係に、それらの進化の間に時間および空間において普遍的なスケーリングを示す。しかし、直接的な実験的証拠は欠けています。ここで我々は強い冷却クエンチによって三次元超冷ボーズガスから出てくる孤立した、平衡から遠い一次元ボーズガスの時間発展運動量分布における普遍的なスケーリングを示しています。スケーリング体制内では、低運動量でのシステムの時間発展は、時間に依存しない普遍的な関数と単一のスケーリング指数によって記述されます。非平衡スケーリングは、低運動量への緊急保存量の輸送を表し、それは最終的に準凝縮物の蓄積につながる。我々の結果は、孤立した量子多体系における普遍的なスケーリングダイナミクスを確立しています。これは、普遍クラスに関して平衡からかけ離れた時間発展を特徴づけるための重要なステップです。普遍性は、例えば、インフレ初期宇宙で遭遇するような、最高エネルギーで現在アクセスできないシステムのダイナミクスの重要な側面をシミュレートするために最低エネルギーでのコールドアトムセットアップを使用する可能性を開くでしょう。
となります。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：Letter p.225
Data availabilityによりますと・・・
本研究の知見を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて対応する著者から入手可能である。
究極に溜まりに溜まったネイチャー。次回は、「生化学：グリコシル化の理解を深める」を取り上げます。
