京都大學研究生院理學研究科的高橋義朗教授、田家慎太郎助教、高須洋介副教授、津野琢士碩士生（研究當時）等人組成的研究團隊，與日本東北大學WPI-AIMR的小澤知己教授共同利用極低溫的銣原子進行實驗，在世界上首次成功實現了拓撲原子雷射振盪。高須副教授表示：「我們成功在人工向度中創造出了理論上存在、但現實中無法實現的狀態。這為量子模擬開闢了新的可能。」相關研究成果已發表在《Nature Communications》上。
圖1 光雷射與原子雷射的對比：（左）一般的雷射振盪原理：從外部給予能量（增益），光被放大；（右）本次實驗的概念圖：在人工向度（自旋空間）的晶格上，巧妙利用蒸發冷卻產生有效增益，原子凝聚在邊緣（Edge）狀態，實現「原子雷射」行為。（供圖：京都大學）
在量子力學的世界裏，與外部環境有能量出入的系統被稱為非厄米量子系統。特別是通過控制放大信號的「增益」（Gain）和信號衰減的「損耗」（Loss）而出現的特異現象，在雷射和光通信等光量子學（光學）領域一直是熱門研究課題。
在處理原子等物質粒子的冷原子氣體領域，非厄米量子力學的研究也在推進之中。然而，在原子的實驗中，雖然引入將原子從系統中移除的「損耗」很容易，但像光那樣從外部泵作用並施加「增益」（放大）在技術上極其困難。因此，迄今為止使用原子的實驗僅限於處理「僅有損耗」的情況，觀測像雷射振盪那樣「增益」發揮本質作用的現象一直是一個重大課題。
研究團隊使用了一種名為人工向度（Synthetic Dimensions）的方法，不使用實際的空間（三維），而是將原子擁有的自旋（內部狀態）這一自由度視為空間的坐標。
具體而言，通過向銣原子的多個自旋狀態照射微波，使其結合以便在狀態間來回移動，從而創造出了虛擬的一維晶格（鏈）。此時，通過精密調節微波的強度和相，實現了被稱為SSH（Su-Schrieffer-Heeger）模型的、具有拓撲性質（邊緣出現特異狀態的性質）的人工晶體。
這種研究的最大突破在於，以全新的構想利用了冷原子實驗中標準使用的蒸發冷卻這一手法。通常的蒸發冷卻將能量高的原子排出系統外，使剩餘的原子冷卻、凝聚到能量最低的狀態（基態）。而此次，研究團隊巧妙地設計了初始狀態的原子分佈和蒸發條件。結果，在從熱原子團中移除高能量原子的過程中，成功實現了拓撲邊緣態（Edge狀態）的處於高能量狀態的原子的比例相對增加。這對於關注的邊緣態來說，物理上等價於注入了原子（有增益），使其作為「有效增益」發揮了作用。
結果觀測到了在通常不穩定、原子無法停留的高能量拓撲邊緣態中，原子如雪崩般聚集，產生了玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）。這是與雷射振盪器中特定模式的光被放大成為雷射光線相同的現象，可以說實現了基於原子波（物質波）的拓撲原子雷射。此外，還確認了該凝體保持著拓撲性質（對結構缺陷和擾動的韌性）。
通過本次研究，開闢了在冷原子系統中自由控制長年以來的壁壘、即「增益」的道路。由此，可以將光學領域積累的非厄米量子力學知識正式引入物質波原子世界。小澤教授表示：「我們建立了一個可以從量子角度研究非厄米系統的實驗系統。作為理論研究者，我也覺得非常有趣。」
本次實現的拓撲原子雷射具有邊緣態特有的「強抗擾動」性質。未來有望利用這一性質，應用於韌性和靈敏度皆高的原子干涉儀、重力換能器、指向性高的原子束源等下一代量子技術中。
高橋教授表示：「本次的實驗系統是一維的，如果能擴展到二維，就能移動拓撲邊緣態的邊緣。期待今後獲得進一步進展。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Communications
論文：Gain engineering and atom lasing in a topological edge state in synthetic dimensions
DOI：doi.org/10.1038/s41467-025-67106-8
