ジョン・ドイル（学者）

ジョン・モリッシー・ドイルは、原子・分子・光学（AMO）物理学および精密粒子物理学の分野で研究しているアメリカの物理学者です。彼は、ヘンリー・B・シルズビー物理学教授、日本学部生研究交換プログラム（JUREP）ディレクター、ハーバード量子イニシアティブの共同ディレクター、およびハーバード大学の量子科学および工学博士課程の共同ディレクターを務めています。^[1]

ドイルは原子や分子の冷却と捕捉に関する研究、および捕捉された原子・分子集団の分光法と量子制御への貢献で最もよく知られています。ドイルグループとその協力者の仕事は、AMO（原子・分子・光）と低エネルギー素粒子物理学の研究に貢献しており、分子構造の解明、量子情報、物理学の標準モデルを超えた探究に影響を与えています。^[2]彼はフルブライトプログラムと日本学術振興会（JSPS）のフェローです。

ドイルは2003年にアレクサンダー・フォン・フンボルト研究賞を受賞し、2021年にはアメリカ物理学会（APS）のブロイダ賞、2024年にはノーマン・F・ラムゼイ賞を受賞した。 ^{[3] [4]} 2022年にはAPSの会長に選出され、APS副会長を務めている。^[5]

ドイルは1986年にマサチューセッツ工科大学（MIT）で電気工学の学士号を取得し、1991年には同じくMITで物理学の博士号を取得しました。彼は1991年から1993年までMITに博士研究員として留まりました。^[6]

ドイルは1993年にハーバード大学に助教授として着任し、1997年にジョン・L・ローブ自然科学准教授に昇進し、1999年に物理学教授に任命されました。2015年以来、ハーバード大学のヘンリー・B・シルズビー物理学教授を務めており^{[7] 、2019年からは}岡山大学の客員教授を務めています。^[8]

ドイル氏は、 2000年から2020年まで米国立科学財団物理フロンティアセンターの超冷原子センターの創設共同ディレクターを務めた^[9]。また、2010年から2017年までハーバード量子光学センターの創設ディレクターを務めた。2006年以来、日米学部生研究交流プログラム（JUREP）の創設者兼ディレクターを務めており、量子科学工学博士課程およびハーバード量子イニシアティブの創設共同ディレクターでもある^{[10] 。}

彼は、European Physical Journal DのCold Molecules特集号（2004年）、ChemPhysChemのCold Molecules特集号（2009年）、Molecular Physicsの電磁場による分子操作特集号（2013年）、Journal of Molecular Spectroscopyの分子のレーザー冷却特集号（2021年）、量子コンピューティングと量子情報ストレージ特集号（2021年）の客員編集者を務めました。^[11]

ドイルグループは、バッファーガス冷却やバッファーガスビームなどの原子および分子の冷却技術、および多原子分子を​​含む分子の超低温でのレーザー冷却とトラッピングに関する研究を行ってきました。彼の研究には、分子のレーザーおよびマイクロ波検出と分光、原子および分子の衝突の調査、粒子物理学への冷却分子の利用（特に、 EDM探索による標準モデルを超えたCP非保存物理学の探索）、および電磁トラップに閉じ込められた超冷却分子を使用した新しい量子情報処理プラットフォームの開発が含まれています。さらに、ドイルグループは、10-100 TeVの質量範囲で新しい粒子を探索するために、冷却および超冷却領域で重い極性ラジカル分子を生成する新しい技術を開発しました。^[1]

ドイルは量子科学の分野で AMO 物理学に貢献してきた。彼の研究グループは、極低温技術とレーザーベースの冷却および制御方法を組み合わせて、分子を冷却してトラップにロードする一般的な手法を開発した。同グループはこの手法を二原子カルシウムモノフッ化物 (CaF) 分子のトラップに応用し、最近では多原子分子に拡張して、極低温でトラップされた線形カルシウムモノ水酸化物 (CaOH) 分子と非線形カルシウムモノメトキシド (CaOCH3) 分子のビームを実証した。^{[12] [13]}彼のよく引用される研究の 1 つでは、ミリケルビン温度でカルシウムモノ水酸化物 (CaH) 分子を磁気トラップするためのロード手法を実証した。これは、低温バッファガスとして機能する極低温ヘリウムとの弾性衝突によって達成され、トラップされた分子の量と温度を正確に決定するためにゼーマン分光法が使用された。 ^[14]彼はまた、強い量子ビット-空洞結合を研究し、量子情報プロトコルと分子ビットのコヒーレンスを調査した。^[15]さらに、彼は分子を基底状態に冷却する課題や、量子コンピューティング、精密測定、素粒子物理学などの分野への潜在的な応用についての洞察を提供しました。^[16]

量子コンピューティング分野におけるドイルの研究には、光ピンセットアレイで二原子分子と多原子分子の両方を生成する方法が含まれており、^{[17] [18]}分子の回転状態に基づいてCaF量子ビットの長い回転コヒーレンス時間を実証しています。彼はまた、孤立した極性分子をメソスコピック固体デバイスと統合して量子レベルの制御を実現することを共同提案しました。^[19]さらに、彼とデビッド・パターソンは、非線形共鳴位相敏感マイクロ波分光法を使用して気相分子のキラリティーを検出および定量化する技術を開発しました。^[20]

別の研究で、ドイルと共同研究者は、磁気トラップに緩衝ガスを充填し、蒸発冷却と組み合わせるだけで、準安定ヘリウムのボーズ・アインシュタイン凝縮体の生成を実証した。 ^[21]京都大学の高橋芳弘のグループとともに、彼はYbとLi原子の量子縮退ボーズ・フェルミおよびフェルミ・フェルミ混合物の生成と研究を支援し、アルカリおよびアルカリ土類原子LiとYbからなる混合物で同時量子縮退を達成した。ドイルのグループはまた、印加電磁場を使用した冷衝突の制御の先駆者であった。^{[22] [23]}

ドイルの主な研究対象は分子衝突プロセスである。磁気的に捕捉されたイミドゲン（NH）分子と3Heおよび4He同位体との衝突に関する研究は、低温における分子構造と衝突エネルギー移動の相互作用についての知見を提供した。^[24]デビッド・パターソンおよびエデム・ツィカタとの共同研究で、ドイルは低温（<10 K）でゆっくりと動くより大きな（>5原子）分子を観察することができ、そのような条件下でのより大きな分子の挙動についての知見を提供した。^{[25]さらに、シュタルク減速、磁気捕捉、極低温緩衝ガス冷却の技術を組み合わせることで、ドイルは}ジュン・イエとの共同研究で、状態選択された2つの異なる中性極性分子間の冷衝突の初めての実験的観察を達成した。^[26]

ACMEコラボレーションの一環として、David DeMilleとGerald Gabrielseとともに、Doyleは一酸化トリウム（ThO）を使用して電子電気双極子モーメント（eEDM）を測定し、|d(e)| < 8.7 × 10-29 e·cm（90%の信頼度）の上限を達成し、感度を大幅に改善し、マルチTeVスケールでの標準モデルの拡張に影響を与えました。^[27]同じチームはその後、eEDM制限で約10倍の改善を達成し、|d(e)| < 1.1 × 10-29 e·cm（90%の信頼度）を達成しました。^[28]電子の電気双極子モーメントに関するこの改善された実験的制限は、冷たいThO分子のバッファガスビームを使用し、巨大な分子内電場にさらされた電子のスピン歳差運動を測定することで可能になりました。^[28]一方、彼は共同研究者とともに、高感度YbOH分子とSrOH分子によるeEDMと同様の探索対象種の範囲を拡大した。^[29]

1990年代から2000年代にかけて、ドイルはVO、NH、CaF、CaH、NH3を含む多数の原子や小分子のバッファーガス冷却を実証しました。^[30]彼の共同研究では、バッファーガス冷却と原子や分子を磁気トラップにロードする技術を導入し、バッファーガス温度240 mKという低温でトラップ可能な種に適用可能になりました。 ^[31]また、熱ビームを極低温ヘリウムバッファーガスに直接ロードして冷却する方法も示しました。^[32]彼はさらに、分子ビーム内のさまざまな分子に適用して6 K未満の並進温度を達成できる、新しいビームロードバッファーガス技術を使用した一般的な冷却方法の開発にも貢献しました。^[33]

ドイルはデビッド・デミルと共同で、バッファーガスビームと呼ばれる新しい形の分子ビームを開発した。その後、彼とパターソンは新しいタイプの冷たくて遅い分子ビーム、流体力学的に強化された極低温バッファーガスビーム（CBGB）を開発した。^[34]この技術は、従来の技術と同程度の低温の分子ビームを生成するが、実験室内での速度ははるかに遅く、特に分子ラジカルに対してははるかに高い輝度とフラックスを実現する。^[35]バッファーガスビームは、分子のレーザー冷却、精密分光法、および基礎物理学の実験に応用されている。

• 2010年 – 日本学術振興会フェロー
• 2021年 –ハーバート・P・ブロイダ賞、アメリカ物理学会^[3]
• 2024年 –ノーマン・F・ラムゼイ賞、アメリカ物理学会^[4]

• Weinstein, JD, DeCarvalho, R., Guillet, T., Friedrich, B., & Doyle, JM (1998). ミリケルビン温度でのカルシウム一水素化物分子の磁気トラッピング。Nature, 395(6698), 148-150。
• Doyle, J., Friedrich, B., Krems, RV, & Masnou-Seeuws, F. (2004). Quo vadis, cold moleculars?. The European Physical Journal D-Atomic, Molecular, Optical and Plasma Physics, 31, 149-164. ドイル, B., クレムス, RV, & Masnou-Seeuws, F. (2004). Quo vadis, cold moleculars?. The European Physical Journal D-Atomic, Molecular, Optical and Plasma Physics, 31, 149-164.
• André, A., DeMille, D., Doyle, JM, Lukin, MD, Maxwell, SE, Rabl, P., ... & Zoller, P. (2006). 極性分子とメソスコピック超伝導共振器間のコヒーレント全電気インターフェース。Nature Physics, 2(9), 636-642.
• ACMEコラボレーション、Baron, J.、Campbell, WC、DeMille, D.、Doyle, JM、Gabrielse, G.、... & West, AD (2014)。電子の電気双極子モーメントの桁違いの極限。Science、343(6168)、269-272。
• ACMEコラボレーション、Andreev V. 1 5 Ang DG 1 DeMille、D.、Doyle、JM、Gabrielse G.、Haefner、J.、Hutzler、NR、Lasner、Z.、Meisenhelder、C.、O'Leary、BR、Panda、CD、West、AD、West、EP、Wu、X。（2018）。電子の電気双極子モーメントの制限の改善。Nature、562（7727）、355-360。