顕微鏡が隠れた量子秩序を明らかに

今週、複数の研究機関からなるチームが、「多体位相顕微鏡（many‑body phase microscope）」と呼ぶ手法のプロトコルを発表した。これは、実験者が量子物質の位相や長距離コヒーレンスを直接測定することを可能にする物質波イメージング・スキームである。Christof Weitenberg（ドルトムント工科大学）、Luca Asteria（京都大学）、およびFabian Grusdt（ルートヴィヒ・マクシミリアン大学ミュンヘン）を中心とするチームを含む研究者らによってArXivのプロトコルにまとめられたこの技術は、量子ガス顕微鏡における長年の死角、すなわち位相情報と非対角相関関数へのアクセスという課題を克服することを約束する。端的に言えば、この顕微鏡は、密度やスピンのスナップショットだけでは見ることのできない、隠れた量子構造を明らかにするものである。

多体位相顕微鏡がいかにして隠れた量子秩序を明らかにするか

従来の量子ガス顕微鏡は、原子がどこに位置しているか、また空間においてスピンや密度がどのように相関しているかについて精緻な画像を作成できるが、基礎となる多体波動関数の位相（複素符号とコヒーレンス）については、その大部分を見逃している。多体位相顕微鏡は、冷却原子雲自体を干渉計に変えることで、そのギャップを埋める。このプロトコルでは、フーリエ空間における時間領域物質波レンズとラマンパルスを使用して、運動量の差を制御された空間的変位に変換し、その後、スピン分解能を持って干渉縞を読み取る。ラマン位相を変化させ、得られた多くの格子点にわたる干渉縞のコントラストを分析することで、実験から非対角1粒子相関関数（同時刻グリーン関数 g(d)）や、さらにはスペクトル情報を持つ非同時刻相関関数までも抽出することができる。

実地において顕微鏡がいかにして隠れた量子相関を明らかにするか

実験的には、この手法は野心的ではあるが、超冷原子研究グループにはすでになじみのある技術、すなわち時間的レンズ作用のための調和トラップ、コヒーレントなスピン・運動量制御のためのラマン遷移、そして高解像度のスピン分解イメージングに根ざしている。プロトコルで報告された性能指数には、慎重に選択されたトラップ周波数比と時間領域レンズ操作のおかげで、物体と最終像平面の間で約93倍の倍率が含まれている。この倍率こそが、微小な運動量の差をカメラ上の解像可能な空間干渉縞へと変換させるのである。

微視的な量子秩序が材料科学に何を意味するか

物理学者が量子秩序について語るとき、それは単なる位置の反復パターンのことではない。それは、超伝導、トポロジカル秩序、その他の創発現象を定義する波動関数自体の構造、すなわち位相関係、量子もつれ、そして長距離コヒーレンスを意味する。これらの特徴は、電荷密度や局所的なスピン方位のみを測定するプローブには見えないことが多い。したがって、位相と非対角相関関数を画像化する顕微鏡は、輸送現象やバルク分光からの推測ではなく、秩序変数を直接的に描き出す。

こうした情報へのアクセスが重要である理由は、高温超伝導体、分数的量子ホール状態、強相関トポロジカル物質に関する多くの理論が、繊細な位相テクスチャや非局所的相関関数を予測しているからである。これらの予測を実空間の位相感受性画像と比較できるようになれば、モデルの検証が加速され、研究者が活用しようとしているエキゾチックな相を実際に生み出している微視的メカニズムが何であるかを特定するのに役立つだろう。

固体プローブにおける補完的な進歩

この新しい物質波顕微鏡は、隠れた量子構造を暴くことを目的とした、より広範な顕微鏡技術の革新の波の一部である。例えば、理論的な研究によれば、標準的な走査型トンネル顕微鏡（STM）に慎重に配置された不純物と準粒子干渉解析を組み合わせることで、スピン偏極探針を用いることなく、オルター磁性リープ格子系におけるスピンテクスチャを明らかにできることが示されている。また、放射光施設での角度分解光電子分光（ARPES）実験では、NiPS3のような層状モット絶縁体において、平均場近似による記述を逃れる多体多重項の特徴が検出されている。これらの進歩を総合すると、測定プロトコルを従来の観測量を超えて押し進めることで、実験が相関状態の内部構造をこじ開けつつあるという傾向が浮き彫りになる。

しかし、プラットフォームは異なる。物質波顕微鏡は、ハミルトニアンをクリーンかつコヒーレントに設計でき、測定された相関関数の解釈が明快な超冷原子系に特化している。STMやARPESは実際の材料に根ざしており、候補となる量子材料を直接扱えるという利点があるが、無秩序やフォノン、環境との結合といった問題に対処しなければならない。両方のアプローチは相補的である。冷たい原子を用いた顕微鏡は、調整可能なパラメータを持つモデル・ハミルトニアンを実現・可視化でき、固体プローブは、それらのモデルのどの要素が材料の複雑な現実の中で生き残るかをテストできる。

技術的課題と材料スケールのイメージングへの道

この提案はエレガントだが、実装は容易ではない。精密なタイミング、ラマンビームの位相安定性、トラップの非調和性の制御はすべて極めて重要である。制御不能な位相ノイズは、この手法が測定しようとしている干渉縞そのものをかき消してしまうからだ。大規模なアレイ全体で単一サイトの忠実度を持つスピン分解検出を行うことは依然として困難であり、干渉パターンから多体相関関数を抽出するための解析には、慎重な統計的平均化とエラーモデリングが必要となる。

より根本的には、このプロトコルは現在、固体内電子の直接イメージングというよりは、格子モデルの冷原子エミュレータに最も適している。そのギャップを埋めるには、概念（例えば運動量空間の操作）を新しい固体測定ジオメトリに移植するか、冷原子による結果を、より間接的な固体信号を解釈するためのクリーンなベンチマークとして使用する必要がある。それでもなお、冷原子の分野において、この技術は、特定が困難であったペアリングやトポロジカル秩序、その他の量子秩序に関する競合理論をテストするために迅速に展開される可能性がある。

短期的な実験の可能性と長期的な影響

短期的には、フェルミオン量子ガス顕微鏡を運用しているグループは、ハバード型のセットアップにレンズおよびラマンシーケンスを実装し、ペアリングの対称性を直接マッピングしたり、相互作用によって調整された相転移にわたるコヒーレンス長やスペクトル関数を診断したりすることを目指すことができる。この手法はまた、非同時刻グリーン関数、すなわち励起がどのように伝播し減衰するかという、非平衡多体系物理学における中心的な問題を抽出することで、ダイナミクスを研究する道を切り開く。

長期的には、位相や非対角相関関数を画像化する能力は、量子材料設計において強力なツールとなるだろう。秩序変数のテクスチャが不純物、歪み、あるいは界面にどのように反応するかを直接可視化することは、理論、シミュレーション、材料合成の間のフィードバックループを短縮する可能性がある。量子技術のより広い範囲において、位相感受性顕微鏡は、センシングや計算に使用される設計された多体系状態におけるエラープロセスの診断に役立つかもしれない。

Sources

• ArXiv (Protocols for a many‑body phase microscope: From coherences and d‑wave superconductivity to Green's functions)
• ドルトムント工科大学 (Christof Weitenberg 研究グループ)
• 京都大学 (Luca Asteria 研究グループ)
• ルートヴィヒ・マクシミリアン大学ミュンヘン (Fabian Grusdt と共同研究者ら)
• ArXiv (Krylov space perturbation theory for quantum synchronization in closed systems)
• ヴュルツブルク大学 (STMとオルター磁性に関する理論的研究)
• ヴロツワフ科学技術大学およびRWTHアーヘン大学 (NiPS3のARPES研究)
• エレットラ・シンクロトロン (マイクロARPES測定に使用されたNanoESCAビームライン)