【朗報】東大、極低温環境で「ボース・アインシュタイン凝縮体」の直接可視化に成功
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東京大学(東大)は9月16日、絶対零度に近い絶対温度0.06K(-273.09℃)という極低温環境において、新開発の中赤外光を用いる「吸収イメージング法」により、希釈冷凍機中に保持された結晶の3次元トラップ中に生じた、巨視的な量子現象である励起子「ボース・アインシュタイン凝縮体」(BEC)を直接可視化して観測することに成功し、観測された凝縮体は、従来の理論の予想とは異なる特異な振る舞いを示すことが見出されたと発表した。
ボース・アインシュタイン凝縮は、「量子統計性」という量子論の原理の自然な帰結として、低温高密度で同種のボース粒子群(光子やグルーオンなど、素粒子間の相互作用を媒介するゲージ粒子や、ヒッグス粒子などのこと)が単一の状態に凝縮する現象のことであり、相互作用なしで生じる相転移という点が特徴とされている。
生じる凝縮体は、マクロでありながら量子性を示すことから、それを人工的に生成して制御することは、量子コンピュータなどの量子技術への応用の観点から重要視されている。中でも、バルク半導体中における励起子のボース・アインシュタイン凝縮は、60年前に理論的に予言されたものの、いまだに観測されておらず、現代物理学の長年の懸案だったとする。
このような背景のもと、20年以上にわたる研究によって、その未解決問題の解決に迫っているのが研究チームであり、これまで、さまざまな工夫の末に「緩和爆発」と呼ばれる現象を観測し、BEC転移が起きたことを捉えることに成功している。しかし、凝縮体は緩和爆発ですぐに失われてしまうため、凝縮体そのものを直接捉えることは実現できておらず、課題として残されていたという。
そこで今回は、これまでの知見をもとに、凝縮体を安定に観測するための条件を洗い出し、実験法を再設計することから始めることにしたという。まず、ヘリウム3冷凍機から希釈冷凍機へと切り替え、これまでの0.08Kという極低温条件での実験から、さらに0.02K低い低温環境を用いること、ならびに励起子の密度や温度を定量的に計測することを目的に、従来の発光測定に加え、中赤外領域に共鳴を持つ励起子の内部遷移を測定することに利用することにしたとする。
研究チームによれば、本来の励起子が持つ空間的な広がりよりもさらに極めて小さい、10μm以下という領域に多数の励起子が分布している信号を捉えることができれば、それこそがBECの条件を満たしたときにのみ現れる励起子の凝縮体だという。 この新たな実験システムを用いて、励起子密度と温度を制御しながら凝縮体の性質についての系統的な評価が行われたところ、パラ励起子系の凝縮も原子系と同様に弱く相互作用するボソンとして扱うことが可能であり、また励起子間には弱い斥力が働いていることが明らかにされたとする。
加えて、励起子系全体に含まれる凝縮体の割合について、従来のボース・アインシュタイン凝縮を記述する理論の予想とは大きく異なる振る舞いも見出されたという。この振る舞いをもたらしている原子系との本質的な違いは、励起子系の場合には、準粒子が結晶の格子系というマクロな熱浴と接触しているという点だという。現実世界に用意された量子系のコヒーレンスやデコヒーレンスの仕組みを探求するという視点からも重要な知見と研究チームでは説明している。
現在、超伝導量子回路や半導体量子ドットなど人工量子系を利用した量子コンピュータの開発が、世界で激化しているが、実世界に用意された人工量子系は少なからず外部環境と接触していることから、非平衡開放系としての性質を排除することは不可能だという。しかし今回の研究成果は、そのような系においても、アインシュタインが予言した、極低温での量子凝縮転移による巨視的量子状態の形成が確かに存在することを実験で確認したものであり、長年にわたる未解決問題を解決したマイルストーン的な成果だという。
また、同時に発見された凝縮体は、環境との相互作用の影響を強く受け、これまで探求されてきた理想モデルに近い系とは質的に異なった様相を示すことが確認されたことから、今回の研究成果により、量子物理学の新たな側面が追求される重要なきっかけとなることが期待されるとしているほか、同時に、実世界で動く量子コンピュータの高度化に向けて不可欠な、エラーの処理や制御の技術を開発する上でも重要な知見を与えることが期待されるとしている。
https://i.imgur.com/zQhNTWG.jpg ワイが一日中シコってる間に天才達はこういうことしてるんやなぁ… これは一ミリくらいわかるわ
統計力学の講義でやった ■ このスレッドは過去ログ倉庫に格納されています
