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2026-01-02 01:07:00
で コロンビア大学 ニューヨークの研究所で物理学者のセバスチャン・ウィルと彼のチームは、分子をボース・アインシュタイン凝縮に変えるという極低温物理学の長年の目標の1つを達成した。 Nature に報告された彼らの結果は、理論的共同研究者である Tijs Karman 氏の重要なアイデアに依存しています。 ラドバウド大学 オランダの博士は、極度の寒さへの最終段階で壊れやすい分子が互いに破壊するのを防ぐ方法の設計に貢献しました。
同グループは、不均一な電荷分布を持つ極性種であるナトリウム-セシウム分子からボース・アインシュタイン凝縮（BEC）を作成した。凝縮水は約 5 ナノケルビン、華氏マイナス 459.66 度で形成されました。また、この種の実験としては異常に長い時間（約 2 秒）継続したため、研究者はシステムがどのように動作するかを調査するためのより広い時間枠を得ることができました。
「分子ボース・アインシュタイン凝縮は、真の基礎物理学の理解から強力な量子シミュレーションの進歩に至るまで、まったく新しい研究分野を切り開きます」とウィル氏は述べています。 「これは素晴らしい成果ですが、実際には単なる始まりにすぎません。」
ウィル研究所が分子の超低温ガスを製造する真空チャンバーの様子。 (クレジット: Sebastian Will/Will Lab/コロンビア大学)
100 年前の予測と現代の制御の融合
1995 年、研究者たちはついに原子から BEC を作成しました。この画期的な成果は後に、ウィルがドイツのマインツ大学で物理学のキャリアを始めた頃、2001 年にノーベル物理学賞を受賞しました。それ以来、原子 BEC は、流体が摩擦なしで流れる超流動性を含む量子の挙動を研究するための標準ツールになりました。
しかし、分子はより困難な課題を引き起こします。単純な 2 原子の分子であっても、原子よりも多くの内部運動が行われます。また、慎重に準備されたサンプルが十分に冷える前に衝突して反応し、サンプルが消滅してしまう可能性もあります。何年もの間、分子 BEC は動き続けるゴールラインのように感じられてきました。
大きな一歩は 2008 年に起こり、コロラド州ボルダーの JILA の Deborah Jin と Jun Ye がカリウム – ルビジウム分子を約 350 ナノケルビンまで冷却しました。これにより、量子シミュレーションと極低温化学に新たな方向性が開かれました。それでも、真の分子 BEC に必要な温度ははるかに低く保たれていました。
コロンビア大学のウィル研究室。 (クレジット: Sebastian Will/Will Lab/コロンビア大学)
なぜ分子は滑り落ち続けるのか
実際には、冷却はサンプルが「蒸発」冷却されるのに十分な時間存続するかどうかに依存します。このアイデアは、熱いコーヒーに息を吹きかけるのと似ています。最もエネルギーの高い分子が最初に離れ、残りのサンプルは冷却されます。
分子の場合、衝突が破壊的すぎるため、そのプロセスは失敗し続けました。二体および三体損失プロセスでは、サンプルが急速に消耗する可能性があります。化学的安定性を考慮して選択された分子であっても、多くの場合寿命が短く、冷却の限界が限定されていました。
これがコロンビアとラドバウドの協力が最も重要な点です。カルマンの理論的研究は、分子を電磁場でドレスアップして、衝突して消滅するのではなく近距離で互いに反発する方法である「マイクロ波シールド」を指摘しました。
ここに示されているコロンビア大学のウィル研究所の真空チャンバーでは、レーザー冷却と磁気操作を組み合わせて、双極子ナトリウム – セシウム分子の超低温ガスが生成されます。 (クレジット: Sebastian Will/Will Lab/コロンビア大学)
熱の代わりに電子レンジで冷やす
コロンビアのチームは、レーザー冷却と磁気技術を使用して、2023年にすでにナトリウム-セシウム分子の超低温ガスを構築していました。さらに前進するために、彼らはマイクロ波に目を向け、この分野におけるコロンビアの長い遺産を活用しました。
「ラビは分子の量子状態を制御した最初の人物の一人であり、マイクロ波研究の先駆者でした」とウィル氏は語った。 「私たちの仕事はその90年にわたる伝統に従っています。」
マイクロ波シールドは、各分子を保護された「服を着た」状態にすることによって機能します。わかりやすく言うと、マイクロ波は接近中に分子がお互いにどのように見えるかを変化させます。適切な設定を使用すると、近距離でエネルギー障壁が形成され、分子は反応せずに跳ね返ります。
このグループは初期の研究で初めてその基本的なアプローチを示しましたが、単一のマイクロ波フィールドにはトレードオフが伴いました。より強力なシールドは 2 体の損失を減らすことができますが、長距離の引力や再結合を促進する拘束状態によって 3 体の損失が増加する条件も生み出しました。
新しい 自然 結果は、2 番目のマイクロ波フィールドを追加するかどうかにかかっています。一方のフィールドは円偏光であり、もう一方のフィールドは直線偏光でした。これらを組み合わせることで、チームは近距離での反発力を維持しながら、長距離での魅力の多くをキャンセルすることができます。結果は純粋な反発相互作用に近づき、最終的に蒸発が機能するのに十分な 2 体と 3 体の両方の損失が減少しました。
BEC の寿命。 BEC は可変保持時間光双極子トラップ内に保持され、分子数が記録されます。 (クレジット: 自然)
「これは私にとって素晴らしい締めくくりでした」と、この春に博士号を取得し、研究室の立ち上げに貢献したニッコロ・ビガーリ氏は語った。 「まだラボをセットアップしていない状況から、このような素晴らしい結果を得ることができました。」
分子凝縮体が可能にすること
「実験は、電子、振動、回転の基底状態にある約30,000個のナトリウムセシウム分子を約700ナノケルビンの光トラップに保持することから始まりました。約3秒かけて、それらを数ナノケルビンの範囲まで冷却しました。蒸発シーケンス中、サンプルが量子縮退の閾値を超えると、凝縮が現れ、2,000個以上の分子が転移付近にありました。さらに冷却した後、私たちのチームは約200個の分子と小さな熱残留物を含む凝縮物です」とウィル氏はThe Brighter Side of Newsに語った。
凝縮体の 1/e 寿命の測定値は約 1.8 秒で、分子系としては突出しています。超低温実験の多くは、1 秒をはるかに下回るタイムスケールで実行されます。 「これにより、量子物理学における未解決の疑問を実際に調査できるようになります」と共筆著者で博士課程の学生でもあるシウェイ・チャン氏は語った。
分子配向の制御も利益の一部です。極性分子には電荷分離機能が組み込まれており、ほとんどの原子が提供するよりも長距離の相互作用をサポートできます。 「これらの双極子相互作用を制御することで、物質の新しい量子状態と相を作り出すことができればと考えています」と共著者でコロンビア大学博士研究員のイアン・スティーブンソン氏は述べた。
マイクロ波シールドによって可能になる双極性 NaCs 分子の BEC。 (クレジット: 自然)
カルマンは、理論と実験が結びつくとはどういうことかを強調しました。 「私たちはこの系の相互作用についてよく理解しています。これは、双極子多体物理学の探求などの次のステップにとっても重要です」と彼は言いました。 「私たちは相互作用を制御するスキームを考案し、理論的にテストし、実験で実装してきました。マイクロ波の『シールド』に関するこれらのアイデアが研究室で実現されるのを見るのは、本当に素晴らしい経験でした。」
近い将来の目標の 1 つは、レーザーを使用して、光で作られた人工結晶である光格子内に凝縮物を配置することです。原子格子はすでに量子シミュレーターとして機能していますが、原子はほとんどの場合、非常に短距離で相互作用します。分子は、これらのシミュレーションに長距離の挙動をもたらすことができます。 「分子BECはより多くの風味をもたらします」とウィル氏は言いました。
共同筆頭著者で博士課程の学生でもある Weijun Yuan 氏は、幾何学がもう 1 つの手段であると指摘しました。 「私たちは 2D システムで BEC を使用したいと考えています。3 次元から 2 次元に移行すると、常に新しい物理学が出現することが期待できます。」と彼は言いました。
「まったく新しい可能性の世界が開かれているようです」とウィルは語った。
研究の実際的な意味
この分子凝縮物は、研究者に、その挙動が強力な長距離相互作用に依存する材料に関するアイデアをテストするためのよりクリーンな方法を提供します。この系を弱い相互作用領域から強い相互作用領域まで調整できれば、標準的な手法では依然として計算が難しい相を含め、複雑な量子相がどのように形成されるかを説明するのに役立つ可能性がある。これは、一部の固体が異常な電気的または磁気的挙動を示す理由をより優れたモデルで明らかにできる凝縮物物理学にとって重要です。
時間の経過とともに、これは新しい量子デバイスの設計を導き、量子技術研究室全体で使用される制御方法を改善し、反応や衝突をより精密に研究できる環境に超低温化学を拡張する可能性があります。
研究結果は雑誌でオンラインで入手できます 自然。
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#科学者が新たな第5の物質状態につながるボースアインシュタイン凝縮を生成