超低温原子

凝縮物質物理学において、極低温原子とは絶対零度に近い温度を持つ原子のことである。このような温度では、原子の量子力学的特性が重要になる。

このような低温に到達するには、通常、いくつかの技術を組み合わせて使用​​する必要があります。^{[1]まず、原子は}磁気光学トラップ内でレーザー冷却によってトラップされ、予冷却されます。可能な限り低い温度に到達するために、磁気トラップまたは光トラップ内で蒸発冷却を使用してさらに冷却が行われます。物理学におけるいくつかのノーベル賞は、個々の原子の量子特性を操作する技術の開発に関連しています（例：1989年、1996年、1997年、2001年、2005年、2012年、2018年）。

極低温原子を用いた実験では、量子相転移、ボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）、ボゾン超流動、量子磁性、多体スピンダイナミクス、エフィモフ状態、バーディーン・クーパー・シュリーファー（BCS）超流動、BEC-BCSクロスオーバーなど、さまざまな現象が研究されています。^[2]これらの研究方向のいくつかは、極低温原子システムを量子シミュレーターとして利用し、ユニタリーフェルミガスやイジングモデル、ハバードモデルなどの他のシステムの物理を研究しています。^[3]極低温原子は量子コンピューターの実現にも使用できます。^{[4] [5]}

超低温原子のサンプルは、通常、希薄ガスとレーザー場との相互作用によって準備されます。原子に光が及ぼす力である放射圧の証拠は、1901 年にレベデフ、ニコルズ、ハルによって独立して実証されました。1933 年、オットー フリッシュは、ナトリウムランプから発生する光によって個々のナトリウム粒子が偏向することを実証しました。

レーザーの発明は、光で原子を操作するさらなる技術の開発を促した。レーザー光を使って原子を冷却するという手法は、ドップラー効果を利用して原子にかかる放射力をその速度に依存させることで、1975年に初めて提案された。この手法はドップラー冷却と呼ばれている。同様のアイデアは、捕捉されたイオンのサンプルを冷却するためにも提案された。ドップラー冷却を3次元に適用すると、原子の速度は通常数cm/sにまで低下し、光糖蜜と呼ばれるものを生成する。^[6]

通常、これらの実験での中性原子の供給源は、数百ケルビンの温度で原子を生成する熱オーブンでした。これらのオーブン源からの原子は、毎秒数百メートルの速度で移動しています。ドップラー冷却における主要な技術的課題の 1 つは、原子がレーザー光と相互作用できる時間を長くすることでした。この課題は、ゼーマン減速器の導入によって克服されました。ゼーマン減速器は、空間的に変化する磁場を使用して、ドップラー冷却に関係する原子遷移の相対的なエネルギー間隔を維持します。これにより、原子がレーザー光と相互作用する時間が長くなります。実験では、電流で加熱すると (蒸気圧が高くなると) 放射できる純金属 (通常はアルカリ金属) の棒である金属ディスペンサーを使用することもできます。

1987年にラーブらが開発した最初の磁気光学トラップ（MOT）は、極低温原子のサンプル作成に向けた重要な一歩でした。MOTで達成される典型的な温度は、数十から数百マイクロケルビンです。本質的には、磁気光学トラップは磁場をかけて原子を空間に閉じ込め、レーザーが速度依存の力だけでなく空間的に変化する力も提供できるようにします。1997年のノーベル物理学賞^{[6]は、レーザー光で原子を冷却してトラップする方法の開発に対して授与され、}スティーブン・チュー、クロード・コーエン・タヌージ、ウィリアム・D・フィリップスの3人が共同受賞しました。

蒸発冷却は、サティエンドラ・ナート・ボースとアルバート・アインシュタインが予言したボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）として知られる新しい物質状態を発見するための実験で、より低い温度に到達するための試みで使用されました 。蒸発冷却では、サンプル内の最も熱い原子が逃げることができ、サンプルの平均温度が下がります。2001年のノーベル賞^{[1]は、アルカリ原子の希薄ガスにおける}ボーズ・アインシュタイン凝縮の実現と、凝縮体の特性に関する初期の基礎研究により、エリック・A・コーネル、ヴォルフガング・ケッテルレ、カール・E・ヴィーマンに授与されました。

近年、偏光勾配冷却、灰色糖蜜冷却、ラマンサイドバンド冷却など、さまざまなサブドップラー冷却技術により、光ピンセットで単一原子を冷却して捕捉することが可能になった。^{[7] [8] [9]光ピンセットや}光格子で極低温中性原子を活用する実験プラットフォームは、量子コンピューティング、量子シミュレーション、精密計測を研究するためのますます人気のある環境になっている。多くの光子を散乱させて他の状態に崩壊する確率が低い、閉じた循環遷移を持つ原子は、極低温中性原子実験でよく選択される種である。アルカリ原子の最もエネルギーの低い微細構造遷移により蛍光イメージングが可能になり、超微細サブレベルとゼーマンサブレベルの組み合わせを使用してサブドップラー冷却を実装できる。アルカリ土類原子も、狭線幅冷却遷移と超狭光クロック遷移により人気が高まっている。

超冷却原子は、そのユニークな量子特性と、そのようなシステムで利用可能な優れた実験制御により、さまざまな用途に使用されています。たとえば、超冷却原子は量子計算や量子シミュレーションのプラットフォームとして提案されており、^[10]これらの目標を達成するための非常に活発な実験研究が伴っています。

量子シミュレーションは、相互作用する量子システムの特性に関する貴重な洞察を提供できるため、凝縮物質物理学の分野で大きな関心を集めています。極低温原子は、対象の凝縮物質システムの類似体を実装するために使用され、その後、特定の実装で利用可能なツールを使用して調査できます。これらのツールは、実際の凝縮物質システムで利用可能なツールとは大きく異なる可能性があるため、他の方法ではアクセスできない量を実験的に調査できます。さらに、極低温原子は、自然界では観察できない物質の異常な状態を作り出すことさえ可能にする可能性があります。

すべての原子は同一であるため、原子の集合体は世界共通の時間計測に最適です。1967 年、SI 秒の定義は、セシウム原子の超微細遷移周波数を参照するように変更されました。現在では、アルカリ土類原子またはアルカリ土類イオン (Al ⁺など) に基づく原子時計が、狭線光遷移を利用して開発されています。これらの時計の精度を高めるために、相互作用しない原子を多数生成するために、中性原子を光格子にトラップすることができます。一方、イオン トラップでは、長い調査時間が可能です。

極低温原子は、低い熱雑音によって可能になる精密測定の実験にも使用され、場合によっては量子力学を利用して標準的な量子限界を超えることもできます。潜在的な技術的応用に加えて、このような精密測定は、物理学に対する現在の理解をテストするのに役立つ可能性があります。

• ボース・アインシュタイン凝縮
• 冷原子研究所
• 量子シミュレータ

• ブロッホ、イマニュエル (2008  ) 。「量子ガス」。サイエンス。319 (5867): 1202–1203。Bibcode : 2008Sci ...319.1202B。doi :10.1126/science.11​​52501。PMID 18309072。S2CID 28871617  。
• Rousseau, Valery (2010). 「閉じ込められた超低温原子システムにおける純粋なモット相」. Phys. Rev. Lett . 104 (16): 167201. arXiv : 0909.3543 . Bibcode :2010PhRvL.104p7201R. doi :10.1103/PhysRevLett.104.167201. PMID  20482076. S2CID  9940436.