原子物理学者は、できれば暗くて静かな研究室で、自分でいじくり回す傾向があります。 Eric Cornell が JILA で Carl Wieman と共にポスドクとして働き始めたとき、1990 年に彼は JILA (国立標準技術研究所とボルダーのコロラド大学が共同で運営する研究所) の 2 階の研究室を地下室に変えるために最善を尽くしました。 「山々を見渡せる美しい窓がありました」とコーネル氏は言います。静寂と暗闇のおかげで、彼らが原子を物質の新しい状態に誘導するために使用していた自家製レーザーをいじるのが容易になりました。
コーネルとウィーマンは、ルビジウム ガスを絶対零度の数十億分の 1 度以内に冷却しようと試みていました。これは、宇宙の 2.73 ケルビンよりも、自然界のどの場所よりも低温です。彼らは、ボーズ・アインシュタイン凝縮 (BEC) と呼ばれる長期予測された物質の状態を生成することを望んでいました。この状態では、原子が個々のアイデンティティを脱ぎ捨て、一斉に集まって単一の量子波になります。 1995 年に成功し、2001 年のノーベル物理学賞を受賞しました。 「ちょうど 2 年前に、ついにその実験のプラグを抜きました」と Cornell 氏は言います。
現在、コーネルと他の物理学者は、原子の切れ端を人里離れた場所から宇宙に持ち出しています。来年初め、NASA は 7,000 万ドルを投じて冷原子実験室 (CAL) を国際宇宙ステーション (ISS) に打ち上げる予定です。軌道に投入されると、完全に自動化されたリグは BEC を作成し、その他の低温原子実験を行い、無重力を利用して記録的な低温を達成し、量子力学と重力の野心的な研究の基礎を築きます。小型化が鍵です。以前はレーザー、光学素子、真空システムでいっぱいの部屋が必要だった実験が、マイクロチップの表面に閉じ込められた原子とともに、アイス チェストのサイズのデバイスに収まるようになりました。この取り組みは原子物理学者の文化を拡大し、宇宙望遠鏡のユーザーのように 1 つの遠隔施設を共有することを彼らに強います。
カリフォルニア州パサデナにある NASA のジェット推進研究所 (JPL) の物理学者である Robert Thompson は、次のように述べています。 CAL のプロジェクト サイエンティスト。
宇宙で原子物理学を行う主な理由は 1 つあります。バージニア大学（シャーロッツビル）の物理学者で CAL の実験者である Charles Sackett は、「すべては重力から逃れることです」と言う。ここに問題があります。BEC を作成するために、物理学者は磁石とレーザーを使用して原子を閉じ込めて冷却し、その速度を毎秒数千メートルから毎秒センチメートル (歩行よりも遅く) に落とします。しかし、BEC を調べるには、トラップから BEC を解放し、レーザー光を当てて、原子の分布を明らかにする影を作成する必要があります。
地球上では、原子が解放された瞬間に重力が原子を引っ張るため、物理学者は通常、BEC が真空チャンバーの底に衝突する前に測定を行うのにわずか 10 ～ 20 ミリ秒かかります。軌道の無重力状態では、BEC は、真空チャンバー内に残留するガスがそれを温める前に最大 10 秒間ホバリングする必要があり、地球上では行うことができない測定のための時間を確保する必要があります.
軌道上での作業は、原子をより低い温度に押し出す必要もあります。 BEC を作成する際の最後のステップは、原子を磁場に閉じ込めることから始まります。物理学者は、磁場を徐々に下げてトラップが弱くなり、ガスが膨張して冷却されるようにします。これは、スプレー塗料の缶が内部のガスが減圧すると冷たくなるのと同じです。軌道上では、原子を失うことなくトラップが弱くなったり大きくなったりするため、ガスはさらに低い温度に達することができます。
そのような無重力状態は、つかの間、地上で模倣されてきました。 2007 年以来、ドイツのブレーメンにある Center of Applied Space Technology and Microgravity で活動している多機関のチームは、再利用可能な低温原子実験を 146 メートルの塔からポリスチレン ペレットのベッドに落としました。急降下すると、ほぼ 5 秒間の無重力自由落下が発生します。研究者が実験をタワーに投げつけて地球に落下させると、2 倍の長さになります。
その数秒で、チームは 50 ピコケルビンの温度に到達することができました。これは、これまでに達成された中で最も低い温度です、とドイツのハノーバーのゴットフリート ヴィルヘルム ライプニッツ大学の物理学者であり、QUANTUS コラボレーションのリーダーである Ernst Rasel は言います。 (頭字語は「無重力下の量子ガス」のドイツ語に由来します。) 今年初め、QUANTUS の研究者は、スウェーデンのキルナから観測ロケットで装置を打ち上げました。高度 240 キロメートル以上に上昇するロケット飛行では、6 分間の自由落下が行われました。その間、自動化された機械は、宇宙での最初の BEC の生成を含め、85 の異なる実験を行ったと Rasel は言います。しかし、ISS は CAL に 1 年以上の長い時間を与え、ユーザーがさらに多くのことを行えるようにします。
まず第一に、CAL の物理学者は、可能な限り低い温度に到達することを目指しています。これにより、繊細な新しい量子効果が出現する可能性があります。研究者たちは、100 ピコケルビンまで下げることができると確信している、と Sackett は言う。これは、QUANTUS チームがドロップ タワーの結果で主張しているほど低くはないかもしれません。しかし、QUANTUS チームは 1 日に 3 回しか実行できませんが、CAL は連続して実験を実行できます。
別の実験では、ベイツ カレッジ (メイン州ルイストン) の物理学者である Nathan Lundblad と同僚は、地球上で重力が押しつぶされる BEC の中空シェルを作成することを望んでいます。泡は、適切な周波数の電波を BEC に適用することで作ることができる、と Lundblad は説明している。最初は、研究者は単に泡を揺らして、それらがどのように反応するかを見たいと考えている.
しかし、シェルによって、BEC の波の性質を新しい方法で調べることも可能になるかもしれません。数学的な一貫性は、BEC 内のうねる量子波が球体を包み込み、それ自体とスムーズに融合することを要求します。その際、渦と呼ばれる小さな渦が発生することがあります。物理学者は、すでに BEC を回転させることによって渦を生成しています。しかし、Lundblad の実験では、量子波と気泡の形状の相互作用を通じて、新しい方法で渦が発生するでしょう。
CAL チームの他のメンバーは、2 つの原子がくっつかない場合でも、特定の原子が弱く結合した 3 原子分子を形成できるようにするエフィモフ効果として知られる量子力学の奇妙なビットを調査することを計画しています。分子はボロミアン環の原子等価物であり、3 つの環が絡み合い、いずれか 1 つの環を除去すると他の 2 つがバラバラになるトポロジカルな好奇心です。分子を作成するために、プルマンにあるワシントン州立大学の JILA の Cornell と Peter Engels と Maren Mossman は、カリウム 39 の超低温原子に磁場を適用します。ガスは BEC を形成するほど高密度ではありませんが、特定の磁場強度では、孤立した原子が 3 原子分子を形成するように誘導されます。
この効果は地球上で見られましたが、理論では、分子が形成、分解、再形成されるのは、連続的に強い磁場であると予測されています。分子のサイズは、毎回 22.7 倍に成長するはずです。コーネルと同僚は、分子がバクテリア程度の大きさの巨人になる第 2 のエフィモフ状態を発見することを目指しています。これを行うには、以前の実験のように密度が 1/1000 になるまでガスを膨張させる必要がありますが、これは地球上では難しいことです。 「大勢の大学院生と一緒に [実験] をうろうろすることができないので、二重に難しくなるでしょう」と Cornell は言います。
おそらく、CAL の最大の目標は、原子干渉法と呼ばれる一種の実験です。レーザー光は、BEC の量子波を 2 つに分割し、離れて再結合することができます。量子論の奇妙さのおかげで、その分裂は、BEC の各原子が文字通り一度に両方の経路を取ることを意味します。分割された経路が垂直に分離されている場合、一方の経路は地球から無限に遠くなり、もう一方の経路よりもわずかに多くの重力エネルギーが与えられ、その経路に沿って量子波がわずかに速くうねります。その結果、波が合流すると、波が互いに干渉して、BEC に波状の密度分布が作成されます。このパターンは、原子が地球を周回する際に重力下でどれだけ加速するかを正確に明らかにする必要があります。
十分に正確であれば、周回原子干渉計は多くの科学的用途を持つことができます。原子干渉計は、レーザージャイロスコープに依存する現在のデバイスよりも正確な慣性航法システムとして宇宙船で使用される可能性があります。また、2 つの異なるタイプの原子の BEC に対する重力の影響をテストすることにより、原子干渉計は、重量や組成に関係なく、すべてのオブジェクトが重力の影響下でまったく同じ速度で加速するという原理をテストできます。イタリアのピサの斜塔からさまざまな素材のボールを落とします。その「等価原理」は現在、アルバート アインシュタインの重力理論、一般相対性理論の基礎として機能しており、物理学者はできる限り多くの方法でそれをテストすることに熱心です.
ただし、機器の問題により、CAL はすぐに原子干渉法を行うことができません。 BEC を作成するために、JPL の CAL の開発者は、ボールダーにある ColdQuanta, Inc. が作成したシステムを使用しています。その心臓部は、バターの棒ほどの大きさの真空チャンバーです。チャンバーの一方の端にあるマイクロチップは、原子を閉じ込めて冷却するのに役立ちます。元のデバイスとそのバックアップの両方で、チップがリークしたとトンプソンは言います。プロジェクトをスケジュールどおりに進めるために、研究者は、原子干渉法に必要な小さなミラーを使用せずに、ColdQuanta 製の単純な設計に切り替えました。 1 年かそこらで、彼らは原子干渉法が可能なアップグレード パッケージを送る予定です。 ColdQuanta の CEO 兼共同設立者である Dana Anderson 氏は、「この問題が完全に解決可能であることは明らかです。」と述べています。
CAL は、宇宙における冷たい原子の始まりにすぎません。 CAL と QUANTUS チームは、2020 年または 2021 年に打ち上げられる BECAL と呼ばれる 2 番目の宇宙ステーション ミッションで力を合わせる予定です。 「私はこのコラボレーションに本当に満足しています」と Rasel 氏は言います。なぜなら、音のするロケットの飛行でさえ、彼のグループの目標を達成するには短すぎるからです。 「私にとって、それは夢を実現するチャンスです。」
この合併は、グループの異なる技術的アプローチを強調しています。 NASA は、CAL をわずか 5 年で完成させるために、商用の既製の技術に頼りました。カリフォルニア大学バークレー校の物理学者であるダン・スタンパー＝カーンは、「彼らが買ったものの多くは、自分たちで再調整する必要がありました。 「それは頭痛のないものではありませんでした。」対照的に、ドイツの物理学者は独自の装置を作りましたが、CAL の研究者でさえ、その方がうまく機能すると言っています。そのため、BECAL はドイツのシステムの根性を JPL の宇宙ステーション パッケージに組み込みます。
宇宙で冷たい原子の真の約束を果たすために、物理学者は最終的に専用の衛星ミッションを打ち上げることを望んでいます.宇宙ステーションは無重力状態を提供しますが、ポンプやその他の機械のガタガタ音に揺れる比較的騒々しい場所でもあります。より静かな衛星は、低温原子実験がより高い精度と感度に達することを可能にするかもしれません.これにより、原子干渉計を使用して地球の重力のわずかな変動を現在の衛星よりもはるかに高い精度で測定する道が開かれる可能性があり、地下帯水層の排水などのプロセスによる地球全体の物質の流れをマッピングする新しいツールを提供します。氷床の融解。
しかしその前に、科学者は宇宙で原子物理学を行う方法を学ばなければなりません。 CAL はまさにそれを教えることを目指しています。途中で何が見つかるかは誰にもわかりません。 「誰も考えつかなかったいくつかのクールなことを考えつくと確信しています」と Sackett 氏は言います。
