微視的な渦の新たな観察により、中性子星の内部でも生じる可能性のある物質の逆説的な相の存在が確認された。
はじめに
オーストリア アルプスのギザギザの峰の間に位置する研究室では、レアアース金属が蒸発し、戦闘機のような速度でオーブンから噴き出します。次に、レーザーと磁気パルスの組み合わせによってガスがほぼ停止するまで減速し、宇宙の深さよりも冷たくなります。ガス中の約 50,000 個の原子はアイデンティティを失い、単一の状態に融合します。最後に、周囲の磁場のねじれにより、小さな竜巻が渦を巻いて存在し、暗闇の中でピルエットを描きます。
インスブルック大学の物理学者フランチェスカ・フェルライノとそのチームは、3 年間にわたって、これらの量子スケールの渦が実際に動いている様子を画像化することに取り組みました。 「多くの人がこれは不可能だと言いました」とフェルライノ氏は今夏の研究室ツアー中に語った。 「しかし、私はなんとかなるという確信を持っていました。」
さて、 今日Natureに掲載された論文で 、彼らは渦のスナップショットを公開し、超固体として知られる物質のエキゾチックな相の長年探し求められていた特徴を確認しました。
超固体は、固体の中で最も硬く、流体の中で最も流動的であるという逆説的な物質の相であり、1957 年の予測以来、物性物理学者を魅了してきました。この相に関するヒントは増え続けていますが、新しい実験は、その存在を示す最後の重要な証拠を確保します。著者らは、超固体内に形成される渦が、高温超伝導体から天体に至るまで、さまざまな系の性質を説明するのに役立つと考えています。
渦は、宇宙の最も極端な条件で物質がどのように動作するかを示している可能性があります。回転する中性子星であるパルサー（燃え尽きた星の異常に高密度の死骸）は、内部が超固体であると疑われている。中性子星を専門とする英国ロンドン大学ロイヤル・ホロウェイの物理学者ヴァネッサ・グレーバー氏は、「これは実際、中性子星にとって非常に優れたアナログシステムだ」と語る。 「本当に興奮しています。」
硬くて水っぽい
さまざまな種類の物質が入ったバケツを回転させることを想像してください。バケツと材料の硬い原子格子との間の摩擦により、固体はコンテナとともに回転します。一方、液体は内部摩擦が小さいため、バケツの中心に大きな渦が形成されます。 (外側の原子はバケットとともに回転しますが、内側の原子は遅れます。)
特定の液体を冷たく、十分にまばらにすると、それらの原子は長距離にわたって相互作用し始め、最終的には摩擦なしに完全に流れる 1 つの巨大な波に結合します。これらのいわゆる超流動体は、1937 年にロシアとカナダの物理学者によってヘリウムで初めて発見されました。
インスブルック大学の物理学者、フランチェスカ フェルライノは、超固体の特徴的な特徴を観察しました。
M ヴァンドリー/インスブルック大学
超流体の入ったバケツを回転させてみると、バケツがバケツの周りを回転しても、バケツは静止したままになります。超流動体は依然としてバケットをこすりますが、容器が特定の回転速度に達するまでは、材料は摩擦の影響をまったく受けません。この時点で、回転しようとする衝動に抵抗して、超流動体は突然単一の量子渦を生成します。これは、バケツの底まで伸びる無の柱を取り囲む原子の渦です。コンテナの速度を上げ続けると、より多くの完璧な竜巻が縁から滑り込んでくるでしょう。
超流動体が発見されてから 20 年後、アメリカの物理学者ユージン・グロスは、同じ量子集団主義が固体にも現れる可能性があると示唆しました。物理学者たちは、この奇妙な超流体と固体のハイブリッドが存在し得るかどうかについて、数十年にわたって議論した。最終的に、超固体の理論的全体像が明らかになりました。超流体の周りの磁場を調整することで、原子間の反発力を低減し、原子同士が凝集し始めるようにすることができます。これらの塊はすべて磁場に沿って整列しますが、互いに反発し、摩擦のない奇妙な挙動を維持しながら結晶パターンに自己組織化します。
超固体を回転バケツに入れると、原子が同期して移動し、固体のように塊の格子が容器とともに回転しているように見えます。しかし、超流動体のように、十分な速度で回転すると、物質は依然として渦を発生し、原子の塊の間に挟まれます。超固体は硬くなると同時に水っぽくなります。
グロス氏の予測により、研究室では超固体の長期にわたる探索が始まりました。
フェルライノ グループ
研究者らは2004年に初めて発見を発表したが、結局その主張を撤回した。新たな活動の爆発は2017年に起こり、2019年にも再び起こり、シュトゥットガルト、フィレンツェ、インスブルックのグループが一次元系における超固体の有望なシグナルを発見した。これらのグループは、小さな棒磁石のように機能するほど本質的に磁性をもつジスプロシウム原子とエルビウム原子のガスから始まりました。磁場を適用すると、原子が自然に集まり、規則的な間隔の塊になり、結晶格子が形成されます。その後、研究者らが温度と密度を下げると、原子間の相互作用により、原子は 1 つのコヒーレントな波として自然に振動し、超流動体のすべての特徴を備えました。
インスブルックチームの大学院生エレナ・ポリ氏は、2019年の実験では超固体の「相反する2つの性質」を垣間見ることができたと語った。それ以来、このグループは推定上の超固体を 1 次元から 2 次元に拡張し、予測されるさまざまな特性を調査しました。
しかし、マサチューセッツ工科大学の物理学者でシュツットガルトチームの元メンバーであるイェンス・ヘルトコーン氏は、「欠けていたのは基本的に超固体の決定的な証拠だった」と述べた。超流動性の特徴は、回転時に発生する渦の配列です。何年もの試みにもかかわらず、「これまで誰も超固体の回転に成功したことはありません」とハートコーン氏は言いました。
超固体を回転させる
超固体が回転にどのように反応するかを観察するために、インスブルックの研究チームは磁場をスプーンとして使用し、原子の内部磁場を 1 秒間に約 50 回かき混ぜました。これは渦を引き起こすのに十分な速さですが、量子位相を維持するのに十分な穏やかさです。 「これは非常にデリケートな状態です。少しでも変化すると破壊されてしまいます」とフェルライノは言いました。
それらの小さなサイクロンを見つけることは、より大きな課題でした。グループは量子嵐の追跡に3年を費やした。最終的に、彼らはトレント大学の物理学者であるアレッシオ・レカティ氏による2022年からの提案を実行した。彼は、より高いコントラストで渦を画像化するために、超固体相で渦を形成し、その後材料を溶かして超流動に戻すことを提案しました。
インスブルック大学のフランチェスカ フェルライノの研究室。
パッシャイダー
昨年初めのある金曜日の夜、3人の大学院生がラップトップを持ってインスブルックのキャンパス近くの薄暗いパブに乱入した。彼らは、量子ガスで竜巻を捕らえたことを証明した、チームのポスドクのうち 2 人を探していました。 「非常に刺激的でした」とポスドクの一人、トーマス・ブランドは語った。大学院生は研究室に戻り、ブランドと同僚はお祝いのラウンドのために残りました。
「私たちは皆、これが量子渦であると信じています」と実験には関与していないレカティ氏は語った。彼は、理論的な予測を完全に裏付けるために実験者が竜巻の回転速度を測定するのを待っているが、画像だけでも満足のいく検証ができると述べた。 「これは物理学コミュニティ全体にとって非常に重要です。」
Hertkorn 氏は、他のグループが再現した結果を確認し、さまざまな実験条件で信号がどのように変化するかを追跡したいと考えています。それでも、彼はインスブルックのチームがこのような困難な測定を粘り強く行ったことを称賛します。 「これが観察可能であることは、実験的に非常に印象的です」と彼は言いました。
宇宙のつながり
今年5月、エセキエル・ズビエタさんはブエノスアイレス郊外の小さな町でシチューロールで昼食をとっていたとき、ノートパソコンの画面から死んだスターがけいれんしているのを目撃した。ラプラタ国立大学の天文学大学院生であるズビエタは、およそ 11,000 年前に爆発した大質量星の磁化された残骸であるベラ パルサーの驚くほど安定した回転を追跡していました。
ヴェラは回転しながら極から放射光線を発射し、地球上で毎秒 11 回点滅します。その規則性は人類が構築できる最高の時計に匹敵します。しかしその日、この星は通常よりも約 24 億分の 1 秒速く回転しました。
天文学者たちは何十年もの間、これらの巨大な天体が突然回転速度を速める原因は何なのか疑問に思ってきました。多くの人は、これらのパルサーの不具合が、これらの奇妙な宇宙の灯台の内部の仕組みを解読するのに役立つことを期待しています。
科学者たちは、恒星の死体には中性子が高密度に詰まっていることを知っています。小さじ 1 杯の中性子星の物質はエベレストと同じ重さになります。このような条件下で中性子がどうなるかは誰にもわかりません。しかし、天文学者らは、星の固体の外殻の下の層で、加圧された中性子が異常な形をとる塊を形成し、それをしばしば「核パスタ」と呼んでいるのではないかと疑っている。主要なモデルは、ニョッキ、スパゲッティ、ラザニアに似たフェーズを特徴としています。
2022年の会議で、フェルライノは何人かの天文学者が核パスタの推定上の性質について議論しているのを耳にした。パスタのような中性子の塊が合体して超流動体が形成されると多くの人が信じていますが、その物質がどのようにして不具合を引き起こすのかは不明です。フェルライノは、この不具合は彼女が自分の研究室で作っていた超固体の兆候ではないかと疑い、調査することにしました。
中性子星を満たす加圧中性子は、「核パスタ」として知られるさまざまな形状をとると考えられています。
フェルライノ グループ
昨年、彼女のチームは超固体のコンピューターシミュレーションを使用して、回転する中性子星の内部に同様の物質が存在した場合に何が起こるかをモデル化しました。彼らは、渦が形成された後、そのうちの 1 つが外れて隣の渦にぶつかり、竜巻や雪崩を引き起こし、そのエネルギーがコンテナに伝わる可能性があることを発見しました。これらの竜巻衝突が十分に起こると、中性子星の回転が一時的に加速され、その結果、不具合が生じる可能性があると彼らは提案しました。
数年前に中性子星の実験室類似体に関するレビューを発表していたグレーバー氏は、この論文を見つけて興奮した。 「なんと、他にも使えるものがあるのです」と彼女は、論文に記載されている回転する超固体のさまざまな特性について考えたことを思い出しました。 「テキストを読んだだけで、『これが私が持っているもの、これが私が持っているもの、これが私が持っているもの』という感じでした。」
フェルライノのグループは超固体の渦を特定したので、竜巻がどのように形成され、移動し、消散するかを調査する予定です。彼らはまた、パルサーグリッチの推定メカニズムを再現して、渦の雪崩が現実世界の超固体の回転速度をどのように促すかを示したいと考えている。物理学者はまた、これらの研究を利用して、高温超伝導体など、渦が重要な役割を果たすと予想される物質の他のエキゾチックな相を解読したいと考えています。
一方、グレーバー氏やズビエタ氏のような天文学者は、この研究によってパルサーの新しい診断ツールが可能になることを期待している。渦の力学をより深く理解すれば、パルサーグリッチの観測を利用して核パスタの組成と挙動を推測できる可能性があります。
「その物理学が小規模でどのように機能するかを理解できれば、それは私たちにとって非常に価値があります」とグレーバー氏は言う。 「望遠鏡を使って中性子星の地殻の内部を観察することはできませんが、基本的に中性子星にはそのハンドルがあります。」
フェルライノ氏のグループは超固体性を発揮する可能性のある他のシステムに注目しており、その応用は自然の基本的なつながりを反映したものであると考えている。 「物理学は普遍的なものです」と彼女は言いました。「私たちはゲームのルールを学んでいます。」
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