宇宙で最も冷たい物質：レーザー冷却原子

概要

この記事では、超低温原子の世界を探索します。レーザー冷却技術により、科学者は宇宙空間よりも何百万倍も低い温度を作り出すことができました。移動する粒子を遅くすることで、レーザー冷却は物質の内部構造を研究し、高感度の機器を作ることができました。超低温原子は、地下資源の検出から物理学の最前線の探査まで、幅広い応用があります。

超低温温度はどのように実現されるのか？

世界で最も冷たい物質は、南極やエベレスト山の頂上にはありません。それらは物理学の研究室にあり、ガスの雲が絶対零度よりもわずかに高い温度で保持されています。絶対零度は冷蔵庫よりも395百万倍、液体窒素よりも100百万倍、宇宙空間よりも4百万倍も冷たいです。

温度は運動量の尺度です。固体、液体、気体を構成する原子は常に動いています。より速く動くと、物質を熱いと感じます。よりゆっくり動くと、冷たく感じます。日常生活では、熱い物体や気体をより冷たい環境に置くことで冷却します。しかし、この方法を使用してどこまで低温にできるかには限界があります。科学者たちは、レーザー光線を直接原子に照射することで、原子の運動を遅くし、超低温を作り出す方法を見つけました。

磁気光学トラップ

磁気光学トラップは、レーザー冷却を使用して原子を遅くする装置です。原子は真空チャンバーに注入され、磁場が中心に向かって引き寄せます。チャンバーの中心に向けられたレーザー光線は、原子がそれに向かって移動するときにレーザー光子を吸収し、遅くするためにちょうど適切な周波数に調整されます。遅延効果は、原子と光子の間の運動量の転送によって生じます。垂直に配置された6本の光線は、すべての方向に移動する原子を妨害します。光線が交差する中心部分では、原子は粘り気のある液体に閉じ込められたかのように動きます。この効果は光学的な糖蜜と表現されます。磁気光学トラップは、原子をわずか数マイクロケルビン、約マイナス273度の摂氏まで冷却することができます。

超低温原子の応用

超低温原子は、幅広い応用があります。冷たい原子は、環境の変動に非常に敏感であるため、非常に良い検出器になります。地下の油や鉱物の堆積物を発見する装置に使用されます。また、グローバルポジショニング衛星で使用されるような非常に正確な原子時計を作ることができます。

超低温原子は、物理学の最前線の探査に大きな可能性を秘めています。その極度の感度は、将来の宇宙ベースの検出器で重力波を検出するために使用される候補になります。また、原子およびサブ原子現象の研究には、原子のエネルギーの非常に小さな変動を測定する必要があります。レーザー冷却は、原子の量子効果によって引き起こされる運動を数センチメートル/秒にまで遅らせることができ、原子の量子効果による運動が明らかになります。超低温原子により、原子がほとんど絶対零度に冷却され、新しい物質の状態であるボース・アインシュタイン凝縮などの現象を研究することができました。