20 世紀の最後の XNUMX 年間に、原子物理学者は宇宙の最低温度の記録を繰り返し破りました。これらの成果は、レーザー冷却を含むいくつかの進歩に基づいています (「 一部1 この歴史の）、磁気光学トラップ、および予想よりもうまく機能したシーシュポス冷却などの技術（で説明されているように） 一部2）。 1990 年までに、物理学者は数千万個の原子を絶対零度よりも数十マイクロケルビン高い温度まで定期的に冷却していました。これは従来の極低温よりも XNUMX 倍低く、レーザー冷却による単純な原子で予測される「ドップラー冷却限界」の一部です。

しかし、この急落は劇的でしたが、さらに困難な温度低下が起こりました。マイクロケルビンからナノケルビンまで、さらに 1000 倍の温度低下が起こりました。この追加のドロップにより、量子縮退として知られる物理学の新しい領域が導入されることになります。ここでは、低温と高密度により、原子は物質の XNUMX つのエキゾチックな状態のいずれかになります。 ボース・アインシュタイン凝縮 (BEC)ガス内のすべての原子が合体して同じ量子状態になる状態、または縮退フェルミ ガス (DFG) では、利用可能なエネルギー状態がすべて満たされるため、ガスの総エネルギーの減少が止まります (図 1)。

BEC と DFG は純粋に量子現象であり、原子の総スピンによってどちらが形成されるかが決まります。原子に偶数の電子、陽子、中性子がある場合、それはボソンであり、BEC を受ける可能性があります。合計が奇数の場合、それはフェルミオンであり、DFG を作成できます。同じ元素の異なる同位体は時々反対の動作をします。物理学者はリチウム 7 の BEC とリチウム 6 の DFG を作成しました。そして、低温での挙動のこの違いは、量子粒子間の基本的な分裂を示す最も劇的な実証の XNUMX つです。

1 量子統計の実際の動作

高温では、ボソン (青い点) とフェルミオン (緑の点) の両方が、利用可能なエネルギー状態の広範囲に分布します。トラップから解放されると、外側に膨張して温度を反映した幅を持つ球形の雲を形成します。原子が冷却されると、より低いエネルギー状態に移行し、雲のサイズが小さくなります。ただし、ボソンは同じ状態に複数の原子を持つことができますが、フェルミオンは各状態に 1 つの原子しか持つことができません。この事実により、ある臨界温度以下では、ほぼすべてのボソンが単一のエネルギー状態に集まり、ボース・アインシュタイン凝縮が形成され、雲の中心に小さくて非常に密度の高い塊として現れます。一方、縮退したフェルミガスでは、すべての低エネルギー状態が満たされるため、雲はそれ以上縮小できません。この図の中央にある実験画像は、ボソン原子（左）とフェルミオン原子（右）のリチウム原子が冷却されるにつれて異なる挙動を示す雲を示しています。ここで、T_F はフェルミ温度であり、フェルミ粒子の量子縮退の始まりを示します。

このシリーズで説明したこれまでのブレークスルーと同様に、量子縮退への突入は、世界中に点在する研究所に導入された新技術のおかげで実現しました。そして、これまでの進歩と同様に、これらのテクノロジーの 1 つは完全に偶然に誕生しました。

安価なレーザー冷却

中級1980では、 カール・ウィーマン 彼は米国のコロラド大学ボルダー校でセシウム原子のパリティ違反を研究していました。これらの研究には、時間のかかる厳密な分光測定が必要であり、ウィーマンの博士課程の学生は リッチ・ワッツ CDプレーヤー用に何百万も製造されているようなダイオードレーザーを使用してそれらを行う方法を開発しました。

これらの安価なソリッドステートデバイスを安定化して制御する方法を見つけるのに何年も費やした後、ワッツ氏は（かなり当然のことながら）博士号を取得したいと考え、ウィーマン氏とともにそれらをテストするための短期間の実験を探しました。彼らが思いついた答えはレーザー冷却でした。 「この学生の論文を仕上げるのは、ちょっとした楽しい余事でした」と Wieman 氏は回想します。「それが私が [レーザー冷却] に興味を持ったきっかけです。」

1986 年にワッツとウィーマンは 初めてセシウム原子のビームをレーザー冷却した。ワッツはまた、博士研究員として冷却ルビジウムを初めてレーザーで照射した。 ストーニーブルック大学のハル・メトカーフ 彼はニューヨークでサブドップラー冷却を明らかにした独創的な実験に参加しました。 ビル・フィリップスメリーランド州ゲイサーズバーグにある米国国立標準技術研究所 (NIST) の研究室。しかし、この歴史の中で我々が出会うもう一人のキープレイヤーと同様に、ワッツも39年にわずか1996歳で亡くなり、あまりにも早くステージを去った。

一方、ウィーマンは、冷たい原子でのみ達成できる新しい科学的目標を必要としていました。彼は、新しい同僚や競合他社とともに、非の打ちどころのない科学的素養を持つ非常に古いアイデア、つまりボース・アインシュタイン凝縮にそのアイデアがあることを発見しました。

底辺への競争

１９４８年にAchille Gaggiaがレバー式のエスプレッソマシンを発明したことにより、現在のエスプレッソが誕生しました。 Gaggiaの発明したエスプレッソマシンは、それ以前に作られてきたマシンより数倍の圧力が出せるため、濃度が何倍も濃いエスプレッソを淹れられました。また圧力が増したことで、エスプレッソに初めてクレマが現れました。このクレマはお客様にたいへん喜ばれ、今ではエスプレッソにクレマは欠かせません。 サティエンドラナスボーズ の物理学者でした ダッカ大学 現在のバングラデシュで。量子物理学の新しく急速に発展している分野を教えているとき、彼は、熱い物体からの光のスペクトルに関するマックス・プランクの公式が、古典的な粒子よりも光子の挙動を支配する統計的規則から導出できることに気づきました。同じ州で見つかりました。

ボーズは自分の作品を出版するのに苦労したため、アルバート・アインシュタインにコピーを送りました。アインシュタインはそれをとても気に入り、出版するよう手配しました。 に発表され 物理学の時代 彼自身の論文と一緒に。アインシュタインの貢献には、光子統計を他の種類の粒子 (原子を含む) に拡張し、興味深い結果を指摘したことが含まれます。非常に低い温度では、系の最も可能性の高い状態は、すべての粒子が同じエネルギー状態を占めることです。

この集合的な状態は現在 BEC と呼ばれており、絶対零度に近い温度で (それぞれ) 液体と固体で観察される超流動性と超伝導性と密接に関連しています。しかし、BEC 遷移自体は、原子物理学者が 1970 年代に作成し始めたものと同じように、原理的には原子の希薄ガス中で発生する可能性があります。

ただし、いくつかの障壁がありました。 1 つは、BEC が形成される臨界温度は密度によって決まり、密度が低いほど臨界温度も低くなります。シーシュポス冷却によりマイクロケルビン温度が可能になりましたが、レーザー冷却された原子蒸気は非常に拡散するため、転移温度はさらに低くなり、ナノケルビン範囲になります。また、原子が単一の光子を吸収または放出することに関連する「反動温度」よりも低くなります。したがって、この制限以下の冷却はレーザーを使用せずに行う必要があります。

一度に 1 回の蒸発

これらの問題に対する一般的な解決策は、 ダニエル・クレップナー マサチューセッツ工科大学（MIT）の同僚たち。お茶を冷やす仕組みと似ています。お茶の中の水の分子はさまざまな速度で移動し、最も速いものは自由になって水蒸気として浮遊するのに十分なエネルギーを持っています。これらの「逃亡者」は平均よりも多くのエネルギーを運ぶため、残りの分子は最終的により冷たくなります。分子間の衝突によって運動エネルギーが再分配されると、システムはより低い温度で新しい平衡状態に達します (図 2)。

クレップナーの方法は蒸発冷却として知られており、トラップから最も高温の原子を選択的に除去する手段と、その後サンプルが再平衡化するのに十分な原子間の衝突率という 1983 つの要素が必要です。最初の要素は、光子の反動問題の解決策と密接に関係しています。原子を磁気光学トラップ (MOT) からフィリップスが最初に作ったような純粋な磁気トラップに移すことで、原子を「暗闇」に保つことができます。 「熱い」原子のエネルギーが高くなるほど、原子を閉じ込めるにはより大きな磁場が必要となり、この大きな磁場は原子のエネルギー準位にゼーマンシフトを引き起こします。したがって、適切に調整された高周波信号は、より冷たい原子を乱すことなく、この高磁場の「熱い」原子をトラップされていない状態に反転させることができます。取り残される冷たい原子もより小さな体積に制限されるため、温度が低下すると密度が増加し、XNUMX つの方法で系が BEC に近づきます。

2 どこまで下げることができますか

蒸発冷却は、トラップ内の利用可能なエネルギー状態全体に分散された多数の原子を含むトラップされた蒸気から最も高いエネルギーの原子 (赤色) を除去することによって機能します。取り残された原子は衝突を起こし、原子間で総エネルギーが再分配されます。それらの一部はエネルギーを獲得しますが (オレンジ色)、破線で示されているように、平均エネルギー (したがって温度) は低くなります。熱い原子を除去してエネルギーを再分配するこのプロセスが繰り返され、温度がさらに下がります。

しかし、衝突の問題は実験家の手に負えません。関連する速度は、単一のパラメータ、つまり特定の状態で衝突する原子のペアのいわゆる散乱長によって記述されます。この散乱長が適度に大きく正である場合、蒸発は急速に進行し、得られる凝縮物は安定になります。散乱長が小さすぎると、蒸発が非常に遅くなります。負の場合、凝縮液は不安定になります。

明らかな解決策は、適切な散乱長を持つ原子を選択することですが、このパラメーターを第一原理から計算するのは非常に難しいことがわかります。それは経験的に決定する必要がありますが、1990 年代初期には誰も必要な実験を行っていませんでした。その結果、BEC の追求を始めたグループは、周期表からさまざまな元素を選択し、それぞれが「自分たちの」ものが「正しい」ことが判明することを期待していました。ウィーマンと彼の新しい同僚 エリック・コーネル ルビジウムの 2 つの安定同位体により可能性が 2 倍になったため、セシウムからルビジウムに切り替えた人もいます。

「それは決してうまくいきません」

MOT は、レーザーのスイッチを切り、電磁コイルにより多くの電流を流すだけで純粋な磁気トラップに変えることができるため、BEC への最初のステップは、レーザー冷却実験の単純な拡張でした。結果として得られる「四重極トラップ」構成には、大きな問題が 1 つだけあります。それは、トラップの中心の場がゼロであり、ゼロ場では、原子が内部状態を、それ以上トラップされない状態に変化させる可能性があるということです。トラップ中心からの原子の「漏れ」をふさぐには、トラップされた原子の状態変化を防ぐ方法を見つける必要があります。

数年間、これはレーザー冷却研究の主要分野でした。コーネル氏とウィーマン氏に加えて、激化する BEC レースの主な候補者の 1 人は次のとおりです。 MITのウォルフガング・ケッターレ。彼のグループは、トラップの中心に焦点を合わせた青色の離調レーザーを「プラグ」として使用して、ゼロ磁場領域から原子を押し出す方法を開発しました。コーネルとウィーマンは、時間周回ポテンシャル (TOP) トラップと呼ばれる全磁気技術を使用しました。

コーネル大学は 1994 年初頭、会議から戻る飛行機の中で TOP を開発しました。その動機の XNUMX つは、組織の中断を制限する必要性でした。彼とウィーマンには別のレーザービームを照射する余地はありませんでしたが、四重極コイルに垂直な軸の周りに小さな追加のコイルを追加することができ、それによってゼロ磁場の位置が移動することになります。もちろん、トラップ内の原子は新しいゼロに向かって移動しますが、すぐには移動しません。振動電流によって駆動される異なる軸にある XNUMX つの小さなコイルを使用して、ゼロを円の中で XNUMX 秒あたり数百回移動させると、コーネルの言葉を借りれば、「原子が存在しないあらゆる場所」にゼロを保持するには十分かもしれません。

彼らはその夏、安価なオーディオアンプで駆動される小さなコイルを使用してこのアイデアをテストしました。当初、追加された磁場により、ガラス蒸気セルに巻かれたコイルが驚くほどガタガタ音を立て、駆動されたコイルは鋭い甲高い鳴き声を上げましたが、原理は健全であるため、彼らはより頑丈なバージョンを構築しました。数か月後の 1995 年初め、コーネル氏はトラップ計画についてケッタール氏と話し合い、MIT チームの光プラグは「決して機能しない」と考えて帰ってきました。それは基本的に、大きな古いスウィズルスティックがそこを指すことになるでしょう。」しかし、彼はケッタールもTOPについて同じことを感じていたかもしれないことを認めている。「彼はおそらく、『それは私がこれまでの人生で聞いた中で最も愚かな考えだ』と思っているでしょう。それで、私たちは二人ともその会話にとても満足して帰りました。」

偶然にも、実際には両方のテクニックが機能しました。コーネルとウィーマンはこれを最初に実証し、冷たい原子雲にレーザー光線を照射する一連の実験を行った。これらの「スナップショット」中に、雲内の原子がレーザーからの光子を吸収し、ビームに影が残ります。この影の深さは雲の密度の尺度となり、雲のサイズは原子の温度を示しました。蒸発が進行するにつれて、スナップショットには、球状に対称な原子雲がゆっくりと収縮し、熱い原子が徐々に除去されるにつれて冷却される様子が示されています。

その後、1995 年 170 月、約 XNUMX ナノケルビンの温度で、何か劇的なことが起こりました。画像の中心に小さな黒い点が現れ、これは大幅に温度が低く、密度が高い原子を表しています。コーネル大学は、何が起こっているのかを解明するのにそれほど時間はかからなかったと述べています。「中心部の密度は急激に上昇しています。ボース・アインシュタインの凝縮がなかったら、そこで何が起こっているのでしょうか?」

彼らの疑惑を裏付けるために、彼とウィーマンは影の画像の一部を今や象徴的な 3 次元プロット (「最もクールな結果」画像を参照) に変換し、熱原子を幅広い台座として、BEC を内部に出現する「スパイク」として示しました。中心。スパイクの形状（一方の方向が他方の方向より幅が広い）が手がかりを暗号化しました。彼らの TOP トラップは水平方向よりも垂直方向に強力であったため、凝縮水はその方向により強く絞られ、放出後その方向により速く膨張しました。彼らはこの形状の変化を予測していませんでしたが、すぐにそれを説明することができ、BEC の「聖杯」に到達したという自信がさらに高まりました。

コーネルとウィーマンは、1995 年 XNUMX 月初旬の記者会見で（当時としては異例として）結果を発表しました。彼らの論文は、 科学 翌月。 3月に、Ketterleらは、ナトリウム原子の雲が転移温度に達したときに出現する同様の「スパイク」を示す独自のXNUMXDプロットのセットを作成した。コーネル、ウィーマン、ケッターレは続けて、 2001年ノーベル物理学賞 希薄原子蒸気中での BEC の達成について。

フェルミオンがチャンピオンを獲得

1995 年の初めの数か月間、コーネル大学は新しいポスドクを採用しました。 デボラ・“デビー”・ジン。ボルダーにある NIST の物理学者である夫のジョン・ボーン氏は、コーネル氏が「BEC の実現はまだ何年も先だと多くの人が言うだろうが、私は必ず実現すると信じている」と語ったことを思い出します。彼は正しかった。最初の BEC は、ジンが仕事を引き受けることに同意してから仕事を始めるまでの間に起こった。

ジンは別の研究コミュニティの出身で、彼女の論文はエキゾチックな超伝導体に関するものでしたが、すぐにレーザーと光学について学び、BEC の特性を調べる初期の実験で重要な役割を果たしました。新星として、彼女には恒久的なポジションのオファーが数多くありましたが、コロラド大学と NIST の専門知識を組み合わせたハイブリッド機関である JILA に残ることを選択しました。そこで、彼女の研究をコーネルとウィーマンの研究と区別するために、彼女は別のクラスの超低温挙動、つまり縮退フェルミガスを追求することにしました。

ボーソンは、そのうちの 2 つが同じエネルギー状態で見つかる可能性が高くなるという統計的規則によって支配されていますが、フェルミ粒子は状態を共有することが絶対に禁止されています。これを電子に当てはめると、化学の大部分を説明するパウリの排他原理です。原子内の電子は利用可能なエネルギー状態を「満たし」、最後の電子の正確な状態が特定の元素の化学的性質を決定します。磁気トラップ内のフェルミオン原子も同様の法則に従います。ガスが冷却されると、最低状態が満たされます。しかし、ある時点で、低エネルギー状態がすべて満たされ、クラウドはそれ以上縮小できなくなります。 BEC と同様、これは純粋に量子現象であり、粒子間の相互作用とは何の関係もないため、超低温原子のガス中で観察できるはずです。

ジンは 1997 年に XNUMX 人の大学院生とともに JILA に入社しました。 ブライアン・デマルコはコーネル大学に雇用されていたが、コーネル大学の勧めでジンと働くようになった。デマルコが回想しているように、コーネルは彼にこう言った、「あなたとデビーが最初にDFGを作ることができれば、それは大変なことになるだろうし、それを実現するチャンスは十分にある。」

二人は家具すらない空っぽの研究室からスタートした。ボーン氏は、彼らがジンと共有していたオフィスの床に座って、将来のレーザー用の電子機器を組み立てていたことを思い出します。しかし、1年以内に、彼らはフェルミオン性カリウム原子を磁気的に捕捉し、蒸発冷却するための実用的な装置を完成させた。

DFG の探求には、BEC レースで直面する課題以外にも 2 つの課題が生じます。その 1 つ目は、超低温では、2 つのフェルミオンが同じ状態にあることが禁止されているため、蒸発冷却の再平衡化ステップに必要な衝突が起こらなくなることです。これを解決するために、ジンとデマルコは原子の半分を異なる内部状態に配置し、蒸発を可能にするのに十分な状態間衝突を提供しました。プロセスの最後に、2 つの状態のうち 1 つを削除し、残りを画像化することができます。

2 番目の問題は、BEC の実験的特徴は原子雲の中央にある巨大な密度スパイクであるのに対し、フェルミ縮退はより微妙であることです。原子が凝集することを拒否するという重要な現象は、転移温度に達すると雲がさらに収縮しなくなるという形で、劇的に現れません。熱雲と変性ガスを区別する方法を見つけるには、慎重なモデリングと、分布の形状の小さな変化を確実に測定できる画像化システムが必要でした。

これらの課題にもかかわらず、何もない部屋から始めてからわずか 18 か月後に、ジンとデマルコは縮退したフェルミ ガスの最初の観察を発表しました。数年後、ケッターレ率いるチームは、 ランディ・ヒューレット ライス大学では、 クリストフ・サロモン パリのENSで、そして ジョン·トーマス デューク大学で続いた。

一方、ジンはレーザーと磁場を使用して縮退原子を分子に変換し、極低温化学の新たな境地を切り開きました。この作品は、 マッカーサー財団「天才助成金」 アメリカ物理学会よりI I Rabi賞を受賞 (APS) と アイザック・ニュートン物理学賞。ジンも極冷原子物理学分野でさらにもう一つのノーベル賞候補になるところだったが、残念ながら彼女は 2016年にガンで亡くなりました、そしてその賞は死後には授与されません。

しかし、賞金以外にも、ジンの残した功績は大きい。彼女が始めたサブ分野は原子物理学の最も重要な分野の 1 つに成長し、彼女の元生徒や同僚は引き続き超低温フェルミ粒子の研究をリードし続けています。彼女の指導への取り組みを評価して、APS は原子物理学、分子物理学、または光学物理学における優れた博士論文研究に対して年次デボラ ジン賞を創設しました。

現在進行中の発見の歴史

このシリーズは半世紀以上続いています。その間、レーザーを使用して原子を操作するというアイデアは、ベル研究所の 1 人の物理学者の心の中にあった漠然とした好奇心から、最先端の物理学の広大な領域の基礎となる技術へと発展しました。レーザー冷却イオンは現在、量子情報科学の発展にとって最も重要なプラットフォームの 1 つです。レーザー冷却された中性原子は、世界最高の原子時計の基礎となります。そして、コーネル、ウィーマン、ケッターレ、ジンによって最初に観察された量子縮退システムは、原子物理学を凝縮物質物理学および化学に結び付ける巨大なサブフィールドを生み出しました。レーザー冷却された原子は引き続き物​​理研究に不可欠であり、世界中の研究室で毎日新しい歴史が刻まれています。

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/coldest-how-a-letter-to-einstein-and-advances-in-laser-cooling-technology-led-physicists-to-new-quantum-states-of-matter/