京都大学など、人工次元で乱れに強い「トポロジカル原⼦レーザー」の発振に成功

京都⼤学と東北⼤学は、極低温のルビジウム原⼦を⽤いた実験により、トポロジカル原⼦レーザーの発振に成功した（ニュースリリース）。

量⼦⼒学の世界において、外部環境とのエネルギーの出⼊りがある系は⾮エルミート量⼦系と呼ばれる。特に、信号を増幅する利得（ゲイン）と、信号が減衰する損失（ロス）を制御することで現れる特異な現象は、レーザーや光通信などのフォトニクス（光学）分野で盛んに研究されてきた。⼀⽅、原⼦などの物質粒⼦を扱う冷却原⼦気体の分野でも、この⾮エルミート量⼦⼒学の研究が進められている。

しかし、原⼦の実験では、原⼦を系から取り除く損失の導⼊は容易であるものの、光のように外部からポンプして利得（増幅）を加えることは技術的に極めて困難であった。そのため、これまでの原⼦を⽤いた実験は損失のみを扱うものに限られており、レーザー発振のように利得が本質的な役割を果たす現象の観測は⼤きな課題となっていた。

研究グループは、実際の空間（3次元）ではなく、原⼦が持つスピン（内部状態）という⾃由度を、あたかも空間の座標であるかのように⾒なす⼈⼯次元（Synthetic Dimensions）という⼿法を⽤いた。具体的には、ルビジウム原⼦の複数のスピン状態に対し、マイクロ波を照射して状態間を⾏き来できるように結合させることで、仮想的な1次元の格⼦（チェーン）を作り出した。この際、マイクロ波の強度や位相を精密に調整することで、Su-Schrieffer-Heeger（SSH）モデルと呼ばれる、トポロジカルな性質を持つ⼈⼯結晶を実現した。

冷却原⼦実験で標準的に⽤いられる蒸発冷却では、初期状態の原⼦の分布と蒸発させる条件を巧みに設計した。その結果、熱的な原⼦集団からエネルギーの⾼い原⼦が取り除かれる過程で、逆にトポロジカル端状態と呼ばれる⾼いエネルギー状態にある原⼦の割合が相対的に増⼤していくという状況を作り出すことに成功した。

この⼿法を⽤いた結果、通常であれば不安定で原⼦が留まれないはずの⾼エネルギーなトポロジカル端状態において、原⼦が雪崩を打って集まり、ボース・アインシュタイン凝縮（BEC）が⽣じる様⼦を観測した。また、この凝縮体がトポロジカルな性質を保持していることも確認された。

研究グループは、将来的には、この性質を利⽤したロバスト（堅牢）で⾼感度な原⼦⼲渉計や重⼒センサー、あるいは指向性の⾼い原⼦ビーム源など、次世代の量⼦技術への応⽤が期待されるとしている。