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研究内容
新しい量子多体現象の探求とその測定手法の理論提案
量子力学に従う物理現象がシュレディンガー方程式で記述できるということは, 物理学科の学生ならば学部学生のときに習うことです. では, それで全てを理解したことになるのでしょうか？残念ながら「いいえ」です. たとえ, 性質がよく知られた粒子であっても, それらが多数絡み合うことで, 全く予想できない現象が現れることがあります. このような量子力学に起因する現象を量子多体現象といい, 物性物理学の中心的なトピックとして, これまで偉大な先人たちによって数多くの問題が解決されてきました. しかし, まだまだ未解決の問題も多く残されています.
その中でも, 私は, 非常に小さな量子系が非常に大きな外界と強く相互作用すると何が起こるか？や, 単に現象を見るだけでなく, 能動的に制御はできるのか？などに興味を持っています. これらの問題を解決すべく, 理論的な手法と大規模な数値シミュレーションを用いて研究を進めています.
また, 量子多体現象がどうやったら実際に「見える」のか？についても興味を持っています. 理論的に予想されたことが本当に現実世界を正しく捉えられているかを実験で確かめることは, 物理学を研究する上での醍醐味の一つだと感じています. そのため, どうすれば新しい物理現象が観測できるかの理論提案も行なっています.
具体的な研究内容については, 以下や 研究業績 をご覧ください. さらに詳しく知りたい方は, ぜひお気軽にご連絡ください. 一緒に研究して下さる研究者の方も歓迎しています.
少数量子系を介した量子熱輸送
温度が異なる２つの熱浴間を流れる熱流は, その温度差に比例することが多く, フーリエの法則として知られています. しかし, 少数量子系を介する熱流では, 量子性が顕著になることで, フーリエの法則を満たさなくなります. このような特徴的な熱輸送を量子熱輸送といい, 近年実験でも測定できるようになってきています.
この量子熱輸送の基礎的な理解のために, 最もシンプルな少数量子系である二準位系を介した量子熱輸送を考え, 熱輸送過程が全３種類の輸送過程で記述できることを系統的に明らかにしました. さらに, 二準位系が共振器に挟まれた複合系についても考え, 二準位系では現れなかった多準位系特有の熱輸送特性も明らかにしました.
TY, Kato, Kato, and Saito, NJP (2018); TY and Kato, JPCM (2021).
散逸に誘起される量子相転移の動的な性質
非常にシンプルな量子系であっても, 環境と強く結合することで興味深い現象が現れることがあります. その代表的な例が, 散逸によって引き起こされる量子相転移です. 特にボソン系では, 超伝導回路の技術発展によって, 動的な性質までも実際に観測できるようになったことで, より注目を集めています.
最もシンプルな二準位系においても, サブオーミック熱浴と呼ばれる種類の熱浴と結合すると, 量子相転移が現れることが知られています. そこで, この相転移の影響がマイクロ波散乱や熱輸送にどのように現れるかについて明らかにしました. さらに, 超伝導回路でサブオーミック熱浴の実現方法も提案しました.
また, ジョセフソン接合も環境である抵抗と結合することで, シュミット転移と呼ばれる量子相転移を示すことが知られています. しかし, シュミット転移が本当に存在するかについては, 長年議論がありました. そこで, 動的な性質に注目し, マイクロ波散乱の散乱係数や熱輸送の熱コンダクタンスにシュミット転移の "名残" が現れること示すことに成功し, 実験とも定性的に一致することを示しました.
TY and Kato, PRB (2018); TY and Kato, JPSJ (2019) [Editors' Choice]; Houzet, TY, and Glazman, PRB (2024); TY, Glazman, and Houzet, PRB (2024) [Editors' Suggestion]
量子熱輸送における量子測定の反作用
量子測定は古典的な測定とは異なり, 測定することで被測定系の状態を変化させることがあります. この現象は測定の反作用といい, 量子情報理論だけでなく, 物性物理学においても研究が進んでいます. 特に, 量子測定によって発生する熱は "Quantum heat"（量子熱）と呼ばれており, 量子熱力学の発展にも寄与してきた重要な概念です.
この量子熱が流れる方向について, 散逸のある量子系に対してはよく知られていませんでした. そこで, 散逸のある量子ビットに連続的に量子測定を行うことを考え, 量子ビットの任意の基底で測定をしても, 量子熱は量子ビットから決して流れ出ることはないことを示しました.
TY, Tokura, and Kato, PRB (2022); TY and Tokura, PRR (2024); TY and Tokura, SciPostCore (2025)
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