ユニークな物質の量子状態がコロンビアに出現

の物理学者 コロンビア大学 彼らは分子を新たな超低温の極限状態に導き、量子力学が最高に君臨する物質の状態を作り出しました。

ベーコン、卵、チーズとは何の関係もない、エキサイティングな新しい BEC が街に誕生しました。 それは地元のデパートでは見つかりませんが、ニューヨークで最も寒い場所、コロンビア大学の物理学者セバスチャン・ワイルの研究室で見つけることができます。彼の実験グループは、原子や分子をほんの数度高い温度に押し上げることを専門としています。 絶対零度。

で書きます 自然ワイル研究室は、理論的共同研究者であるオランダのラドボウド大学のタイス・カルマン氏の支援を受けて、分子からボース・アインシュタイン凝縮（BEC）と呼ばれる独特の量子状態の物質を作り出すことに成功した。

ボース・アインシュタイン凝縮の画期的な進歩

彼らの BEC はわずか 5 ナノケルビン、つまり華氏約 -459.66 度まで冷却され、驚くほど長い 2 秒間安定しており、ナトリウムとセシウムの分子でできています。 水の分子と同様に、これらの分子は極性を持っており、正の電荷と負の電荷の両方を持っています。 ワイルは、電荷の不均衡な分布が、最も興味深い物理学を構成する長距離相互作用を促進すると指摘しました。

ワイル研究室がボーズ・アインシュタイン分子で熱心に取り組んでいる研究には、摩擦を経験せずに流れる物質の状態である新しいタイプの超流動を含む、さまざまな量子現象の探索が含まれます。 彼らはまた、ボーズ・アインシュタインを、固体結晶などのより複雑な物質の謎めいた量子特性を再現できるシミュレーターに変えたいと考えています。

コロンビアの物理学者は、マイクロ波の助けを借りて、ナトリウムとセシウムの分子から、物質のユニークな状態であるボース・アインシュタイン凝縮を作成しました。 画像クレジット: Well Lab、コロンビア大学/マイルズ・マーシャル

「分子ボース・アインシュタイン凝縮は、基礎物理学の真の理解から強力な量子シミュレーションの開発に至るまで、まったく新しい研究分野を切り開きます」と彼は言いました。 「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。」

これはワイル研究所にとって夢の実現であり、大規模な超低温研究コミュニティにとっては 10 年の歳月をかけて実現したものです。

超低温分子、一世紀かけて開発

BEC の科学は、物理学者のサティエンドラ ナス ボースとアルバート アインシュタインに遡ります。 1924年と1925年に発表された一連の論文の中で、彼らは、静止近くまで冷却された粒子の集合体が合体して、量子力学の法則によって決定される共通の特性と挙動を持つ単一のより大きな原子になると予測した。 BEC が作成できれば、個々の原子や分子よりもアクセスしやすいスケールで量子力学を探索するための魅力的なプラットフォームが研究者に提供されるでしょう。

最初の理論的予測から約 70 年かかりましたが、最初の原子 BEC が作成されたのは 1995 年でした。この成果は、ワイルがマインツ大学で物理学を学び始めた頃の 2001 年にノーベル物理学賞を受賞しました。 ドイツ語に。 現在、研究所では、いくつかの異なる種類の原子からボース・アインシュタイン原子を日常的に製造しています。 これらの BEC は、物質や超流体の波の性質などの概念についての理解を広げ、数例を挙げると、量子ガス顕微鏡や量子シミュレーターなどの技術の開発につながりました。

左から右へ: 准研究員のイアン・スティーブンソン。 博士課程の学生ニッコロ・ビガーリ。 博士課程の学生、袁偉君。 大学生のボリス・ブラトヴィッチ。 博士課程の学生、張思偉。 そして主任捜査官セバスティアン・ワイル氏。 表示されていません: テジェ・ケルマン。 クレジット: コロンビア大学

しかし、原子は大局的に見ると比較的単純です。 それらは丸い物体であり、通常は極性から生じる可能性のある相互作用を含みません。 最初の原子 BEC が達成されて以来、科学者は分子からなるより複雑なバージョンを作成したいと考えてきました。 しかし、異なる元素の 2 つの原子が結合して構成される単純な 2 原子分子でさえ、適切な BEC を形成するのに必要な温度以下に冷却するのは難しいことがわかっています。

最初のブレークスルーは 2008 年に起こり、コロラド州ボルダーにあるヒラ研究所の物理学者、デボラ・ジンとジュン・イーがカリウムとルビジウム分子のガスを約 350 ナノケルビンまで冷却したときでした。 このような超低温分子は、近年、量子シミュレーションの実行、分子衝突や量子化学の研究に有用であることが証明されていますが、BEC閾値を超えるには、より低い温度が必要でした。

2023 年にウィルズ ラボを設立 最初の極低温ガス Jin Wei のアプローチと同様に、レーザー冷却と磁気操作を組み合わせて、彼らが選択した分子、ナトリウムとセシウムを抽出しました。 涼しくするために、彼らは電子レンジを導入しました。

電子レンジによるイノベーション

マイクロ波は電磁放射の一種であり、コロンビアでは長い歴史があります。 1930 年代、後にノーベル物理学賞を受賞する物理学者イシドール アイザック ラビは、航空レーダー システムの開発につながるマイクロ波の先駆的な研究を行いました。 「ラーベは分子の量子状態を最初に解明した一人であり、マイクロ波研究の先駆者でした」とワイル氏は語った。 「私たちのビジネスはこの90年の伝統に従っています。」

食品を加熱する際の電子レンジの役割はよく知られているかもしれませんが、電子レンジは冷却プロセスを促進することもできることが分かりました。 個々の分子は互いに衝突する傾向があり、その結果、サンプルから消失するより大きな複合体を形成します。 マイクロ波は各分子の周りに小さなシールドを作り、分子の衝突を防ぐことができるが、これはオランダの同僚であるカルマン氏が提案したアイデアである。 分子が衝突を逃さないように保護されているため、最も熱い分子だけがサンプルから優先的に除去されます。これは、コーヒーカップの上に息を吹きかけると冷たくなるのと同じ物理原理です、と著者のニッコロ・ビガーリ氏は説明します。 残った分子はより低温になり、サンプル全体の温度が低下します。

チームは昨年秋に出版された研究で分子 BEC の作成に近づいた。 自然物理学 マイクロ波シールド方式を導入しました。 しかし、別の実験的な開発が必要でした。 2 番目のマイクロ波場を追加すると、冷却がより効率的になり、セシウム ナトリウムがついに BEC 閾値を超えました。ワイル氏の研究室は 2018 年にコロンビアに開設されて以来、この目標を達成しました。

「これは私にとって素晴らしいフィナーレでした」と、この春に物理学の博士号を取得して卒業し、研究室の創設メンバーでもあるビガーリ氏は語った。 「私たちはまだ研究室を持っていなかったところから、このような驚くべき結果を得ることができました。」

衝突を減らすことに加えて、第 2 のマイクロ波場は分子の配向も制御できます。 つまり、これはそれらがどのように相互作用するかを制御する方法であり、研究室は現在それを研究中です。 「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や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・スティーブンソンは述べた。

量子物理学の新しい世界が開かれています

ボルダーを拠点とする超低温科学のパイオニアであるイー氏は、この結果を美しい科学だと考えています。 「この研究は、量子化学の研究や強結合量子材料の探査など、多くの科学分野に重要な意味を持つことになるでしょう」と彼はコメントした。 「ワイルの実験は、分子相互作用を正確に制御してシステムを望ましい結果に導くことが特徴であり、量子制御技術における顕著な成果です。」

一方、コロンビアのチームは、分子間相互作用の理論的説明が実験的に検証されたことに興奮しています。 「私たちはすでにこの系の相互作用について良いアイデアを持っています。これは、多極体の物理学の探求などの次のステップにとっても重要です」とカーマン氏は語った。 「私たちは反応を制御するスキームを考案し、理論的にテストし、実験で実装しました。マイクロ波の『保護』のアイデアが実験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。」

現在、分子 BEC を使用して実験的にテストできる理論的予測が数十件あり、共同筆頭著者で博士課程の学生である Siwei Zhang 氏は、BEC は非常に安定していると指摘しています。 ほとんどの超低温実験は 1 秒以内に実行され、中には数ミリ秒程度の短い実験もありますが、実験室での BEC 分子反応は 2 秒以上続きます。 「これにより、量子物理学の未解決の問題を調査できるようになります」と彼は言いました。

アイデアの 1 つは、レーザーで作られた光格子に閉じ込められた人工ボース アインシュタイン結晶を作成することです。 これにより、天然結晶における相互作用を模倣する強力な量子シミュレーションが可能になり、これは物性物理学の焦点分野であるとワイル氏は述べた。 量子シミュレーターは日常的に原子を使用して作成されますが、原子には短距離相互作用があり、実際には原子同士が重なり合う必要があるため、より複雑な材料をモデル化できる範囲が制限されます。 「分子BECはより多くの風味をもたらします」とワイル氏は語った。

これには寸法も含まれる、と共同筆頭著者で博士課程の学生でもあるウェイジュン・ユアン氏は述べた。 「私たちは 2D システムで BEC を使用したいと考えています。3D から 2D に移行すると、分子で作られたモデル システムを持つ 2D 材料が常に登場することが期待できます。 BEC は、超伝導、超流動などを含む量子現象の探査に重点を置いた問題でワイル氏と彼の同僚を支援する可能性がある。

「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。

参考文献: 「双極子粒子のボース・アインシュタイン凝縮の観察」、Niccolò Bigagli、Weijun Yuan、Siwei Zhang、Boris Bulatovic、Tess Carman、Ian Stevenson、Sebastian Weyl、2024 年 6 月 3 日、 自然。
土井: 10.1038/s41586-024-07492-z