私達は今、宇宙で物質の第５状態の雲を探査できるようになりました

(図 International Space Station クレジットNASA)

2018年7月に、NASAは驚くべき成果を発表しました(a)。彼らは、宇宙で最も寒い場所(b)を作りました－地球を周回軌道する国際宇宙ステーションのすぐそこです。

(a) Space Station Experiment Reaches Ultracold Milestone | NASA
(b) Humans Just Created The Coldest Spot in Space – Here's Why | Science alert

彼らはルビジウム(rubidium)と呼ばれる柔らかい金属の原子を取り、そして、それらを約100ナノケルビン(nanoKelvin) －絶対零度を超えるケルビンの1千万分の1 －の温度に冷却しました。

(図 This computer model of a Bose-Einstein condensate shows the wave-like structure of atoms near absolute zero クレジットNASA/NIST)

これにより、ボーズ=アインシュタイン凝縮(Bose-Einstein condensate)と呼ばれる極めて冷たい雲が発生しました。これは、エキゾチックな「第5」の物質の状態で、そして、超低温原子の奇妙な量子特性を理解するのに役立つものです。しかし、研究はそこで止まりませんでした。

ジェット推進研究所(Jet Propulsion Laboratory)のコールドアトム研究所(Cold Atom Laboratory)を使用して、科学者達はさらに、絶対零度(absolute zero)の[付近でわずかに]上の、ナノケルビン未満のボーズ=アインシュタイン凝縮を生み出しました－地球上で私達ができるよりもこの状態についてもっと学ぶために、宇宙ステーションでの微小重力(microgravity)条件に乗っかります。

ボーズ=アインシュタイン凝縮はかなり奇妙です。それらは、絶対零度をわずかに上の温度まで冷却されたボソン(bosons)(c)から形成されます (ただし、絶対零度に達していません、その温度で原子は動きを停止します(d) )。これが原因で、それらは最低エネルギー状態に沈み、極めてゆっくりと動き、重なり合うのに十分近くに集まります－ 1つの「スーパーアトム(super atom)」または物質波(matter wave)のように活動する原子の、高密度の雲を生み出します。

(c) What Is The Standard Model of Particle Physics? | Science alert
(d) After 100 Years of Debate, Hitting Absolute Zero Has Been Declared Mathematically Impossible | Science alert

何故ならば、量子力学(quantum mechanics) －各々の粒子は波として描写述できる－は、原子スケールで観察する方が簡単なので、ボーズ=アインシュタイン凝縮は、個々の原子を研究する代わりに、より大規模な量子の振る舞いを科学者達が研究することを可能にします。

ボーズ=アインシュタイン凝縮は、レーザー冷却(laser cooling)、磁場、そして蒸発冷却(evaporative cooling)の組み合わせを用いて、ここ地球上で創ることができます。その最新のテクニックは最後のステップです－原子は磁気トラップに保持され、そして、高周波(radio-frequency)放射は、最もエネルギッシュな粒子を「蒸発」させるために用いられ、冷たく、動きの鈍い粒子を後に残して凝縮物を形成します。

ひとたびこれが起こると、トラップがオフになり、科学者達は実験を行うことができます。ただし、彼らは速く行動しなければなりません－原子間の自然な反発力(repulsive force)は、雲を拡大し消散させる原因になります。重力は、このプロセスがかなり速く起こることを意味します－わずか数十ミリ秒(milliseconds)です。

ですが、自由落下で重力の影響が打ち消されると、あなたは、1秒以上続くことができるボーズ=アインシュタイン凝縮を作ることができます。

加えて、重力の影響の軽減は、凝縮物(condensate)がより浅い皿に形成されることを意味します。これは研究者達に、[雲の]リリースの前とリリース後しばらくの両方で、雲を観察するためのより良い窓[観測]を提供しました。

これは、研究者がコールドアトム研究所で達成したことです－しかし彼らが生み出した凝縮物を、彼らが厳密に調査したとき、彼らは地球の重力では起こり得ない効果を発見しました。

「私達はこれを発見しました、高周波誘導蒸発冷却が、微小重力で著しく異なる結果を明らかにします」と、彼らは論文に書いています(e)。

(e) Observation of Bose–Einstein condensates in an Earth-orbiting research lab | nature

「私達は軌道上で、ほぼ3倍の原子番号(atom number)の増加を観測しています。さまざまな磁場の勾配(magnetic field gradients)の応用を通して、私達は次の確認をしました。原子の約半分は磁気の影響を受けない状態 |2, 0⟩ で、磁気トラップの位置の周りにハロー(halo)[後光/光輪]的な雲を形成します。」

地球上では、重力がこれらの原子に作用する支配的な力で、トラップの周囲からそれらを取り除きます。

宇宙で、凝縮物を詳しく見ることができることはこれを明らかにしました、自由なルビジウム原子のハローが、雲の端の周りをホバリングしています。物質の冷却方法のおかげで、これらの原子は、磁気トラップに注意を払うことがほとんどありませんでした。

少なくとも地球上で、重力はそれらを傍らに引き寄せます。しかし、それらがぶらついた自由落下で、将来の研究のために、可能性のある有用な極低温資源を提供します。

より低温でより長持ちするボーズ=アインシュタイン凝縮を生み出す可能性はまた、私達がそれらを研究できる他の方法について、私達が考え始めることができることを意味します。例えば、もしも異なる量子の挙動が観測できるのならば、これを理解するために、地球上では不可能なトラップ形状を作成されるかもしれません。

ボーズ=アインシュタイン凝縮の波動特性はまた、原子干渉計(atom interferometers)(f)にも役立つ可能性があります。これは、基本的な物理定数(physical constants)の測定に使用できます。

(f) Atom interferometer - Wikipedia

「私達は、超低温原子実験用として、微小重力の即時かつ基本的な利点を実証するために低地球軌道でCALのベースライン機能を使用しました... これらの実験は、科学オペレーション[運営]の可能性のある数年の始まりを形成し、時間とともに使用される機器の、追加機能を備えています」と、研究者達は論文に書いています(e)。

「CAL機器用の、今後のモジュール式アップグレードは、拡張されるミッション研究に利用できます。それには、原子波干渉計(atom-wave interferometer)を特徴とするJPLにより構築されたモジュールを含みます。さらに、後続ミッションのペイロード[格納施設]は、提案と開発の段階にあり、軌道上で極低温原子の継続的な存在と応用を保証します。」

研究は、ネイチャー(Nature)誌(e)に掲載されました。

----- 出典 -----

www.sciencealert.comnexusnewsfeed.comwww.sciencenewslab.comwww.popularmechanics.com

----- 2020/06/11公開の記事を読んで -----

日常生活でも見られる物質の３態/３相、つまり気体、液体、固体はご存じかと思います。

物質を高温加熱して、イオン化した状態をプラズマと呼んでいます。

反対に、極低温にまで冷やして原子の動きが、ほぼほぼ止まる状態をボーズ=アインシュタイン凝集と呼んでいます。極低温の現象では、低温物理学の超電導現象が起こることがよく知られています。

これら全部で、物質には５つの状態があるとされています。

極低温、超高温、高真空、超高圧などの状態になると常識とはかけ離れた振る舞いをします。

... そして、ある意味、かつてそうだったように物質が物質でなくなることもあり.... かも？です。

State of matter - Wikipedia ( 物質の状態 - Wikipedia )

----- パズルのピース -----