磁性量子気体におけるアインシュタイン=ド・ハース効果の観測~アインシュタインの名を冠する2つの概念が交差~

2026-01-23 東京科学大学

本研究は、磁性を持つ量子気体においてアインシュタイン=ド・ハース効果を直接観測することに初めて成功したものである。研究グループは、希薄原子気体のボース=アインシュタイン凝縮体を用い、原子の内部自由度であるスピンの角運動量が、集団的な回転運動(質量渦)へと自発的に移行する過程を実験的に捉えた。特に、電子軌道角運動の影響が小さいユウロピウム原子を用い、超弱磁場環境下でスピン配向した凝縮体をゼロ磁場に置くことで、スピン角運動量の減少と、それに対応する量子渦の生成を観測した。原子波干渉計による位相解析から、スピンと渦の角運動量が保存されていることが確認され、理論計算とも良く一致した。本成果は、100年以上前に提唱された角運動量変換の物理を、極めてクリーンな量子多体系で原子レベルから検証したものであり、スピンと回転運動の本質的な結びつきを理解する新たな基盤を提供する。

磁性量子気体におけるアインシュタイン=ド・ハース効果の観測~アインシュタインの名を冠する2つの概念が交差~
図1. ボース=アインシュタイン凝縮をした磁性量子気体中でスピンから回転運動に角運動量が移行する様子。印加磁場に沿ってスピンが配向した磁性量子気体をゼロ磁場中に置くと、気体自体が生成する磁場の周りでスピンが歳差運動をするが、その際、全角運動量を保存するために質量渦が発生する。

<関連情報>

ボース=アインシュタイン凝縮体におけるアインシュタイン=ド・ハース効果の観測 Observation of the Einstein–de Haas effect in a Bose–Einstein condensate

Hiroki Matsui, Yuki Miyazawa, Ryoto Goto, Chihiro Nakano, […] , and Mikio Kozuma
Science  Published:22 Jan 2026
DOI:https://doi.org/10.1126/science.adx2872

Editor’s summary

Spins of electrons in atoms and macroscopic rotating bodies both have angular momentum, which can be exchanged between the two. This exchange forms the basis of the Einstein—de Haas effect, in which a ferromagnet’s rotational speed changes in response to a change in its magnetization. Observing this effect in its coherent form is more challenging. Matsui et al. used an optically confined Bose-Einstein condensate of europium atoms, which have a high magnetic dipole moment, to search for the evidence of this exchange. After the atoms were transferred from the highest to lower spin states, the researchers observed the formation of vortices, signifying the exchange of angular momentum between atomic spins and the rotation of the quantum fluid. —Jelena Stajic

Abstract

The Einstein–de Haas effect is a phenomenon in which angular momentum is transferred from microscopic spins to mechanical rotation of a macroscopic rigid body. We report an observation of the Einstein–de Haas effect in a spinor-dipolar Bose–Einstein condensate, in which the intrinsic magnetic dipole-dipole interaction mediates coherent transfer of angular momentum from atomic spins to collective circulation of a quantum fluid. The depolarized spinor components displayed ring-shaped density distributions that were confirmed as quantized vortices through matter-wave interferometry, revealing a coherent conversion between spin and orbital angular momentum. This observation opens a pathway to exploring ground-state phases with broken chiral symmetry, spin textures, and mass circulation, as well as the Barnett effect in dipolar quantum gases.

1701物理及び化学
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