科学者たちはレーザーを使って宇宙で最も冷たい物質を作った

京都の研究所では、研究者たちが非常に興味深い実験に取り組んでいる。京都大学とテキサス州ヒューストンのライス大学の科学者チームは、物質を絶対零度（すべての運動が停止する温度）の10億分の1度以内に冷却し、宇宙で最も冷たい物質を作った。この研究はネイチャー・フィジックス9月号に掲載され、ライス大学によれば「量子磁気の未踏の領域への扉を開く」という。

「現在、地球外文明がこのような実験を行っていない限り、京都大学でこの実験が行われている間は常に、宇宙で最も冷たいフェルミオンが作られていることになります」と、この研究の責任理論著者であり、ライス大学量子イニシアチブのメンバーでもあるライス大学教授のケイデン・ハザード氏はプレスリリースで述べた。「フェルミオンは希少な粒子ではありません。フェルミオンには電子のようなものが含まれており、すべての物質を構成する2種類の粒子のうちの1つです。」

論文著者の高橋芳郎氏が率いる京都チームは、レーザーを使用してイッテルビウム原子のフェルミオン（スピン量子数が1/2や3/2などの奇数の半整数である陽子、中性子、電子などの粒子）を絶対零度の約10億分の1度以内に冷却した。これは星間空間の約30億倍の温度である。この宇宙領域は、約137億年前のビッグバンからの放射の残光である宇宙マイクロ波背景放射（CMB）によってまだ暖められている。宇宙で最も寒い領域として知られているのはブーメラン星雲で、温度は絶対零度より1度高く、地球から3,000光年離れている。

[関連: 人類が作った最も遠い物体が、どのように死の日々を過ごしているか]

電子や光子と同様に、原子は量子力学の法則に従いますが、その量子的な振る舞いは絶対零度の数分の1度以内に冷却されたときにのみ顕著になります。レーザーは、原子を冷却して極低温原子の量子特性を研究するために、25年以上にわたって使用されてきました。

「この寒さに襲われると、物理学が本当に変わります」とハザード氏は言う。「物理学はより量子力学的になり始め、新しい現象が見られるようになるのです。」

この実験では、レーザーを使用して光格子内の30万個のイッテルビウム原子の動きを止め、物質を冷却しました。これは、1963年に理論物理学者ジョン・ハバードによって初めて提唱された量子物理学であるハバードモデルをシミュレートします。物理学者はハバードモデルを使用して、特に電子間の相互作用が集団的行動を生み出す物質の磁気的および超伝導的挙動を調査します。

このモデルにより、原子は、電子間の集団行動（フットボールやサッカーの試合でファンのグループが「ウェーブ」を行うようなもの）や超伝導、つまり物体がエネルギーを失うことなく電気を伝導する能力など、その珍しい量子特性を発揮できるようになります。

「京都で使用されている温度計は、私たちの理論によってもたらされた重要なものの 1 つです」とハザード氏は語ります。「彼らの測定値と私たちの計算値を比較することで、温度を判定できます。この記録的な温度は、システムの非常に高い対称性と関係する興味深い新しい物理学のおかげで達成されました。」

[関連: シカゴには現在 124 マイルの量子ネットワークがあります。これがその目的です。]

京都でシミュレートされたハバード モデルには、SU(N) として知られる特殊な対称性があります。SU は特殊ユニタリー グループ (特殊ユニタリー群) の略で、対称性を数学的に記述するものです。N は、モデル内の粒子の可能なスピン状態を表します。

N の値が大きいほど、モデルの対称性が増し、モデルが示す磁気的挙動の複雑さが増す。イッテルビウム原子には 6 つのスピン状態があり、京都のシミュレーターは SU(6) ハバード モデルの磁気相関を明らかにした初めてのシミュレーターである。研究によると、この種の計算はコンピューターでは不可能だという。

「それがこの実験を行う本当の理由です」とハザード氏は言う。「なぜなら、私たちはこのSU(N)ハバードモデルの物理を知りたくてたまらないからです。」

ハザードの研究グループの大学院生で、論文の共著者でもあるエドゥアルド・イバラ＝ガルシア＝パディーヤ氏は、ハバードモデルの目的は、固体材料を金属、絶縁体、磁石、超伝導体として機能させるために必要な基本的な要素を捉えることだと付け加えた。「実験で探究できる興味深い疑問の 1 つは、対称性の役割です」とイバラ＝ガルシア＝パディーヤ氏は述べた。「実験室でそれを設計できる能力があるのは素晴らしいことです。これを理解できれば、新しい望ましい特性を持つ実際の材料を作ることができるかもしれません。」

チームは現在、絶対零度より10億分の1度高い温度で生じる動作を測定できる初のツールの開発に取り組んでいる。

「これらのシステムは非常に珍しく特殊ですが、研究して理解することで、実際の材料に必要な主要な成分を特定できると期待しています」とハザード氏は述べた。