物理学者の国際チームが、初めて宇宙でボース・アインシュタイン凝縮体の生成に成功したと報告しています。先週 Nature に掲載された研究では、グループはどのようにしてボーズ・アインシュタイン凝縮体を生成できる小さな装置を作成し、それをロケットに取り付け、自由落下中に行った実験について説明しています。
そうすることで、チームは量子ガスのダイナミクスと相転移を、以前の実験技術よりも桁違いに長い期間観察することができました。
この研究は、ボーズ・アインシュタイン凝縮体に関する技術と実験技術の飛躍的な進歩を表しています。ボーズ・アインシュタイン凝縮体は、生成と維持が難しいことで有名であり、実験を行うのはさらに困難です。自由落下の微小重力環境は、ボーズ・アインシュタイン凝縮体を完全に観察できる隔離された領域を提供します。
さらに、チームは、輸送と簡単な設置に十分なほど小さく、堅牢な BEC を生成できるデバイスを作成しました。量子ガスのアプリケーションには、超高感度干渉計、センサー、室温超伝導体、量子コンピューターなどがあります。この研究によると、実験の成功は「量子ガス実験の新時代を開く」ものです。この論文は、プレプリント出版物arXivで全文を読むことができます。
ボーズ・アインシュタイン凝縮体と自由落下環境
ボーズ アインシュタイン凝縮 (BEC) は、ボソン粒子のガスを絶対零度に非常に近い温度まで冷却することによって生成される物質の状態です。このような温度に冷却されると、粒子は可能な限り低いエネルギー状態を占有し始め、粒子と波の二重性や波動関数の干渉などの量子現象が巨視的 (分子) スケールで明らかになります。 BEC は、超流動性、超伝導性、誇張された波のような性質など、多くの奇妙な特性を示します。
BEC はこのような低エネルギー状態で存在するため、運動エネルギーのわずかな変化にも反応します。この特性は、ピコケルビンまたはフェムトケルビン領域の温度に対応する運動エネルギーの変化を記録できるため、重力波を検出するためのセンサーとして理論的に役立ちます。 (1000 分の 1 度ケルビン)。しかし、地球環境では、重力の存在がガスの構造に干渉し、明確な観測を妨げることがよくあります。そのため、BEC のほとんどの観測では、装置に正味の重力が作用していないときに自由落下中に観測を行うことができるように、背の高いタワーから BEC を降ろす必要がありました。ただし、塔から落としただけでは、観察できる時間は数秒しかありません。
そのため、チームは、ロケットが地球に落下する際の長い自由落下を利用するために、BEC を文字通り宇宙に発射するという素晴らしいアイデアを思いつきました。宇宙の微小重力環境により、以前の実験よりも桁違いに長い観測時間が可能になります。製造と収容が難しいことで有名な BEC は、通常、大型の専用チャンバーで作成されるため、チームはその設計を 300kg のロケットに収まるように小型化する方法を考え出さなければなりませんでした。最終的なデバイスは、ルビジウム 87 原子のグループを保持するチップ、精密なレーザー、電子機器、および電源を含むカプセルで構成されていました。チームは、2017 年 1 月にスウェーデンのキルナから打ち上げられた MAIUS I ロケットにデバイスを搭載し、6 分間の宇宙飛行を行いました。その間、チームは最初の離陸、加速、およびそれに続く自由落下中に何百もの実験を実行することができました。具体的には、チームは離陸加速中のレーザー冷却と粒子のトラップ、および物質波干渉技術を使用した BEC の進化と操作を調査しました。実験は 1 年以上前に実行されましたが、飛行中に収集されたデータの分析が完了したところです。
飛行の最盛期に、チップはルビジウム 87 の原子を -273.15°C の温度まで冷却しました。これは、宇宙で最も寒い自然の場所であるブーメラン星雲よりもほぼ 1 度低い温度です。そのため、6 分間、実験装置は既知の宇宙で最も冷たい物体であるという栄誉を得ました。
BEC の提案されたアプリケーションの 1 つは、重力波の探索を支援することです。時空のこれらの非常に小さな波紋を検出するために、天体物理学者は現在、レーザービームを分割して再結合します。波形パターンの不一致は干渉の兆候を示しており、重力波の存在を示している可能性があります。これは、2016 年に LIGO の研究者が重力波の最初の直接観測を行うために使用した技術でした。ロケットで実行された実験は、BEC が重力波を検出するための代替方法を提供できることを示しました。
チームはレーザーを使用して粒子の雲を半分に分割し、それらを再結合しました。それぞれの半分の粒子はまったく同じ状態を共有しているため、それらが再結合すると、波形パターンの変化は重力波の外部影響を示している可能性があります。 BEC はフェムト ケルビン スケールの運動エネルギー入力に対応する動作の変化を表すため、非常に低エネルギーの重力波の存在を検出するのに理想的な物質となります。地球上では、言いようのない変化を検出するのに十分な自由落下の時間はありませんが、宇宙の微小重力環境により、時間的にロバストな測定が妨げられずに可能になります。
NASA は、BEC 研究を実施するための宇宙ベースのプラットフォームの可能性をすでに認識しており、現在、ISS に冷原子実験室 (CAL) を設置する過程にありますが、まだ完全には機能していません。その間、チームは、宇宙の微小重力環境で BEC の実験を実行することの成果を実証しました。今後、さらに多くの MAUIS ミッションが計画されています。
BEC のダイナミクスと相転移の豊富な詳細な観察を提供することに加えて、チームは、堅牢で安定した BEC を、比較的少ないコストで宇宙に送るのに十分な大きさにすることができるデバイスを作成しました。 BEC は、量子コンピューターや通信システムでの応用が研究されているため、光子ベースの量子情報の概念を小型化することで、量子通信衛星への道が開かれ、量子インターネットが現実のものとなる可能性があります。
