世界初の「量子竜巻」はいかにして生まれたのか

物理学者は、最も極端な物理的条件のいくつかにおいて、おそらくこれまでで最も小さな嵐を作り出した。

MIT とハーバード大学の量子研究者が作り出したこれらの「量子竜巻」は、量子力学の最新の実証である。量子力学とは、宇宙を最も微細な原子レベルまで支配する不思議な法則である。量子竜巻は、絶対零度よりほんの少し高い温度で渦巻くナトリウム原子の小さな雲からできている。

原子を極低温まで冷凍する方法は確立されている。まず、原子（多くの場合はアルカリ金属）を磁気ケージに閉じ込め、レーザーを照射する。冷却方法としてレーザーを使うのは奇妙に思えるかもしれないが、レーザーは 1 つの波長の光（この場合はナトリウムの蒸気の色に合わせるため黄色）のみのビームを生成する。レーザーを微調整すると、熱を発生しなくなるまで原子を減速させることができる。

最後に残るのはボーズ・アインシュタイン凝縮、つまり複数の原子がひとつの原子として機能し、想像を絶するさまざまな量子的な方法で動作する、愛すべきほどに難解な物質状態である。

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ボーズ・アインシュタイン凝縮は奇妙に思えるかもしれないし、実際奇妙だが、物理学者が扱うのに慣れている一種の奇妙さだ。ボーズ・アインシュタイン凝縮は 1920 年代に初めて予測され、科学者は 1995 年に研究室でそれを作り出すことに成功した。その努力により、科学者たちは 2001 年のノーベル物理学賞を受賞した。

それ以来、物理学の世界ではボース・アインシュタイン凝縮を新たな高み（あるいは、新たな低み）に押し上げようとする試みが盛んに行われている。例えば、物理学者たちは、この物質状態で凍結した原子を回転させることができるかどうか、長い間考えてきた。

研究者たちがこの研究に興味を持ったのは、それが量子ホール液体と呼ばれるものの足跡をたどるからである。簡単に言うと、特定の量子条件と磁場の下では、通常は互いに押しのけるはずの電子の雲が、代わりに互いの特性を模倣し始める。その結果、電子は液体中の水分子のように自由に流れるようになる。

電子を観察するのは難しいが、物理学者はボーズ・アインシュタイン凝縮体を渦の中で回転させると、原子が同じように振る舞うようになるのではないかと考えた。原子は電子よりもはるかに大きいので、これは魅力的だ。

この最新の研究グループだけが渦を起こそうとしているわけではない。そこで課題となるのは、ボーズ・アインシュタイン凝縮を破壊せずに原子を回転させることだ。

「本質的に、この回転を制御するのは少し難しいのです」と、最新の実験には参加していないバージニア大学の物理学者ピーター・シャウス氏は言う。「どうにかして回転させる事は簡単ですが、加熱せずに回転させるのは難しいのです。」

ハーバード大学とMITの研究グループは、100万個のナトリウム原子を捕らえ、絶対零度より1000億分の1ケルビン高い温度まで冷却し、強力な電磁石の中に閉じ込めるという実験を行った。そして、量子流体の動きを観察できるのではないかと期待しながら、凝縮体を回転させた。

それはある程度までうまくいった。原子は、彼らが探していた流体の特性を持つ細い針のような構造を形成した。研究者たちは、ここまでの結果を2021年6月にサイエンス誌に発表した。

しかし、彼らはさらに先へ進むことができることを知っていました。何が起こるかを見るために、針を回し続けることにしました。そして、彼らは驚くべきことに気付きました。針が波打ち始めたのです。最初は、針はコルク抜きのように巻き付き始めました。その後、巻き付きが解けて、針は小さな量子の塊の集まりに砕け散り、それぞれが回転し始めました。これが量子竜巻です。

研究者たちはこれをカオス理論と比較している。これらの竜巻の発生は、蝶の羽が羽ばたいて地球の反対側で嵐を引き起こすという有名な例に似ているが、そのプロセスは量子スケールで進行しているという点が異なる。彼らは今月初め、この渦についての説明をネイチャー誌に発表した。

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では、その先はどうなるのでしょうか。想像がつくと思いますが、このレベルで原子を協調させるのは簡単ではありません。「より安定したレーザーを手に入れて、これらの実験を効率的に実行するのは、まだ進行中の作業です」とシャウス氏は言います。「これらの実験の多くは、そのことが制限になっています。」

もう一つの課題は、これらの量子竜巻のうち最も小さいものにはそれぞれ 10 個の原子があったことです。しかし、物理学者の中には、さらに進んで、原子 1 個だけでボーズ・アインシュタイン凝縮体を実現できると考える人もいます。それが実現すれば、物理学者が量子力学の難解な方程式のいくつかが現実世界でどのように展開するかを観察するのに大いに役立つでしょう (少なくとも非常に高性能なカメラを使って)。

科学者たちは、こうした渦や極低温物質の他の形状を作り出すプロセスの改良を続けており、その成果はセンサーなどの技術に応用されるかもしれない。MITとハーバード大学の共同研究は、回転する凝縮体を使って水中の微妙な動きを検知したいと考えている国防高等研究計画局（DARPA）の資金提供を受けている。しかし、今のところ、微妙な動きは実現できていない。