量子縮退原子集団

ボーズアインシュタイン凝縮体、フェルミ縮退気体

一般的な理解

自然界の一般的な理解には、物質の状態が3つ、時には4つ含まれます。私たちは皆、固体、液体、気体、そして恒星について考えればプラズマの存在をよく知っています。特定の「物質」の状態は、相互作用エネルギーと温度の関係によって決まります。1924年、ボースとアインシュタインは、低温では粒子間の相互作用が全くないか無視できるほど小さい場合でも、粒子は相転移を起こすはずであると理論的に説明した画期的な論文を発表しました。この相転移は粒子間の相互作用に依存するのではなく、整数スピンを持つ粒子（ボソンと呼ばれる）の区別できない性質に基づく量子統計効果によってのみ発生します。これは衝撃的な予測でしたが、この相転移が1995年に3つの研究グループによって希薄原子ガスで明確に観測されるまでに71年かかりました。わずか6年後、E. A. コーネル、W. ケッテルレ、C. E. ヴィーマンは「アルカリ原子の希薄ガスでのボーズ・アインシュタイン凝縮の達成と、凝縮体の特性の初期の基礎研究」に対してノーベル物理学賞を受賞しました。見出しはもっとシンプルで、「新物質状態の解明：ボーズ・アインシュタイン凝縮」でした。これは、現在も急成長中の研究分野の始まりに過ぎませんでした。ボーズ・アインシュタイン凝縮は宇宙で最も冷たい物質であるだけでなく（1ナノK（絶対零度より10億分の1 K高い）以下の温度が観測されている）、1つの巨大な物質波として振舞うなど、ユニークな特性も示します。また、半整数スピンを持つ弱く相互作用する粒子（フェルミオン）は、ボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）への相転移を起こしません。それでも、量子統計効果が支配的になるまで冷却することは可能です。この系はフェルミ縮退気体（DFG）と呼ばれ、ここでも奇妙な挙動が見られます。BECとDFGの両方の縮退量子気体は、固体物理学を研究するために光格子中で研究されています。原子間の相互作用を精密に調整する新しい手法は、高温超伝導の効果の研究、分子BECの作製、または双極子BECの研究に用いられました。

ダイオードレーザーによるボーズ・アインシュタイン凝縮

ボーズ・アインシュタイン凝縮体 (BEC)
フェルミ縮退気体 (DFG)
縮退気体における相互作用の調整
分子のボーズ・アインシュタイン凝縮体
固体物理をシミュレートする光格子中の縮退気体

ボーズ・アインシュタイン凝縮体の形成

ボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）は、原子ガスの位相空間密度が1の整数倍を超えると形成されます。この点を超えると、より多くの原子が利用可能な最低エネルギー状態を占め、マクロ的に最低エネルギーの量子状態を占めるようになります。より直感的な図式は、原子の波動性に基づいています。原子は点状の粒子ではありません。特に低温では波のような挙動を示します。熱気体からボーズ・アインシュタイン凝縮体への遷移において、原子波束の大きさは原子間の平均距離に匹敵するため、すべての原子は共通のアイデンティティを感じ始めます。レーザー冷却された原子雲の位相空間密度を高める（つまり、原子雲をより低温および／または高密度にする）には、原子を磁気双極子トラップまたは光双極子トラップに移します。さらなる冷却は、高エネルギー原子を蒸発冷却によって除去し、残りの原子を再加熱することで実現されます。これは、熱いコーヒーや紅茶を冷やすのと非常によく似ています。通常、ボーズ・アインシュタイン凝縮は 0.1 µK 程度の温度で発生し、トラップから放出され、共鳴レーザー光線で照らされた原子雲の形状の特徴的な変化と、その影を CCD カメラで観察することによって観測されます。

フェルミ縮退気体

フェルミ縮退気体（DFG）は、通常、BECと同様の条件下で実現されます。主な違いは、フェルミ気体は、2つの異なる「種類の原子」（異なる元素、異なる同位体、または異なる内部状態）を同時にトラップした場合にのみ低温まで冷却できることです。フェルミ縮退気体の典型的な形状はBECの形状とは大きく異なり、物理的特性も異なります。ボソンとは異なり、同一のフェルミオンは複数の粒子で量子状態を占有することはできません。したがって、マクロ的に最低エネルギー状態がフェルミオンで占有されることはありません。BECは自然界では観測されませんが、非原子粒子からなるフェルミ縮退気体は、中性子星や金属中に存在します。原子冷却の結果により、中性原子はこれらの系、あるいはフェルミ縮退気体全般のモデル系として研究できるようになりました。

ボーズ・アインシュタイン凝縮体、あるいはフェルミ縮退気体は、以下の原子元素を用いて実現されました。原子番号順に並べると、初生成年が分かります。(記載されていない原子種についは、お気軽にこちらまでお知らせください。※TOPTICAカップが当たります。)

H (1998)、He* (2001)、Li (1995)、Na (1995)、K (2001)、Ca (2009)、Cr (2004)、Rb (1995)、Sr (2009)、Cs (2002)、Dy (2011)、Er (2012)、Yb (2003)。

相互作用の調整は、縮退量子気体の物理に新たな展開をもたらすだけでなく、多くの基礎研究への扉を大きく開きます。BEC（あるいはフェルミ縮退気体）のほとんどの元素は、原子間の相互作用が弱い（”弱相互作用BEC”）だけです。この相互作用は標準的な「分子」相互作用であり、低温では剛体球相互作用としてモデル化できます。2つの原子は、非常に接近した（典型的には10～100 nm）場合にのみ互いの存在を感じる「ビリヤード」ボールのように振る舞います。接触相互作用と呼ばれるこの短距離相互作用は等方性であり、BECにおける主要な相互作用です。分子の束縛状態が磁気的に2つの自由原子のエネルギーにシフトする「フェッシュバッハ共鳴」に近づくと、状況は劇的に変化します。磁場をわずかに変化させることで、この相互作用の強さと符号を制御できます。例えば、強い斥力相互作用、ゼロ相互作用、あるいは引力相互作用を持つことができます。このフェッシュバッハ共鳴を利用することで、相互作用によって引き起こされるBECの崩壊、双極子BEC、そして分子BECから「高温超伝導」フェルミ縮退気体への転移を観察できます。

これまで、分子BECは原子BECまたはDFG気体から出発して実現されてきました。分子を直接捕捉し、サブマイクロK温度まで冷却することは、これまで実現されていません。光捕捉原子BECまたはDFGを用いれば、磁場をフェッシュバッハ共鳴上で掃引することで、非結合原子対を振動的に高励起した分子へとコヒーレントに変換することができます。レーザーパルスを照射することで、分子を最低エネルギー状態まで脱励起することができます。特に興味深いのは、光格子に閉じ込められた大きな電気双極子モーメントを持つ二原子分子です。これらを用いることで、超固体やチェッカーボードのような特異な量子相を研究したり、シミュレーションしたりすることができます。

光格子中の縮退量子気体は、固体物理学の研究に用いることができます。原子が電子の役割を果たす一方で、光格子はイオンに起因する固体中の周期ポテンシャルの役割を担います。縮退量子気体の利点は、粒子間の相互作用を調整できることと、様々な種類と強度の非常にクリーンなポテンシャルを生成できることです。この方法により、理論的に予測される現象（超流動体とモット絶縁体間の遷移、アンダーソン局在、高Tc超伝導など）を研究したり、解析解を持たず数値的に扱うことができない固体の問題を「量子シミュレート」したりすることもできます。

TOPTICAの付加価値

レーザーは量子縮退気体実験の鍵となる装置です。レーザー冷却、光ポンピング、光トラップ、共鳴照射、そして原子のコヒーレント移動にレーザーが必要です。通常、1つの実験装置には、異なる波長の複数のレーザーが必要であり、そのほとんどは原子共鳴に対して非常に正確に同期されています。研究は、すべてのレーザーが所望の特性（線幅、出力、周波数など）で同時に動作して初めて成果につながります。TOPTICAは、科学者の要望に注意深く耳を傾け、これらの用途向けに、特殊波長のダイオードベース波長可変レーザーなど、特殊なレーザーを常に開発してきました。その結果、世界中の多くの研究グループが当社のレーザーを使用しています。彼らは、TOPTICA社内にこの研究分野に対する大きなロビー活動があることを知っています。私たちは量子縮退気体を研究する科学者たちの言葉とニーズを理解しています。TOPTICAには、現在そして将来のお客様のアプリケーションに最適なレーザーソリューションを喜んでご提供できる専門家がいます。実験の詳細については、お気軽にこちらまでお問い合わせください。

専門家へのお問い合わせ