物質には二重の性質があり、すべてのものは粒子と波の両方として存在します。絶対零度に近い温度では、原子の波動性が可視光線によって観測可能になります。ナノケルビン範囲の極低温では、原子は13つの大きな実体に凝集し、ボーズ・アイゼンシュタイン凝縮（BEC）と呼ばれる第2024の状態に移行します。これは大きな塊の中の波として機能します。すべての波と同様に、この状態の原子は干渉現象を示し、原子波の干渉パターンは研究室で研究することができます。宇宙の微小重力環境に設置された原子干渉計は、極めて精密なセンサーとして機能し、最も微弱な加速度を測定する機会を提供します。国際宇宙ステーション（ISS）に乗って地球を周回するミニ冷蔵庫サイズのコールド・アトム・ラボラトリー（CAL）は、宇宙の微小重力環境で極低温の量子ガスを研究するための研究施設です。数年前に原子干渉計でアップグレードされました。 150年XNUMX月XNUMX日に発表された報告書によると、研究者らは先駆的な実験に成功した。彼らはCAL施設に搭載されたXNUMXパルスマッハ・ツェンダー干渉計を使用してISSの振動を測定することができた。これは、量子センサーが宇宙で周囲の変化を検出するために使用された初めてのケースだった。XNUMX番目の実験では、ラムゼーせん断波干渉法を使用して、XNUMX回の実行で干渉パターンを明らかにした。パターンはXNUMXミリ秒以上の自由膨張時間にわたって観察可能だった。これは、宇宙で自由落下する原子の波動性を示す最長の実証だった。研究チームはまた、宇宙で原子干渉法を使用した最初の量子センサーの実証として、ブラッグレーザー光子反動を測定した。これらの開発は重要である。最も精密なセンサーである宇宙ベースの極低温原子干渉計は、極めて微弱な加速度を測定できるため、一般相対性理論や素粒子物理学の標準モデルでは説明できない問題（暗黒物質と暗黒エネルギー、物質と反物質の非対称性、重力と他の場の統一など）を研究し、宇宙に対する理解のギャップを埋める機会を研究者に提供します。
波は干渉現象を示します。つまり、2 つ以上のコヒーレント波が結合して合成波が生じ、その合成波の位相に応じて振幅が大きくなったり小さくなったりすることがあります。光の場合、合成波は暗い縞と明るい縞の形で見られます。
干渉法は、干渉現象を利用して特性を測定する方法です。入射波を 2 つのビームに分割し、それぞれが異なる経路を通過した後、結合して干渉パターンまたは縞模様 (光の場合) を形成します。結果として生じる干渉パターンは、ビームの移動経路の状態の変化に敏感です。たとえば、移動経路の長さの変化や、波長に関連するフィールドの変化は干渉パターンに影響し、測定に使用できます。
ド・ブロイ波または物質波
物質は二重の性質を持ち、粒子としても波としても存在します。動くすべての粒子や物体は、ド・ブロイ方程式で与えられる波動特性を持っています。
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
ここで、λ は波長、h はプランク定数、m は質量、v は粒子の速度、p は運動量、K はボルツマン定数、T はケルビン単位の温度です。
熱ド・ブロイ波長はケルビン単位の温度の平方根に反比例します。つまり、温度が低いほど λ は大きくなります。
極低温原子波の研究
典型的な原子の場合、室温でのド・ブロイ波長はオングストローム（10-10 m) つまり。 0.1ナノメートル（1nm=10-9 特定の波長の放射線は、同じサイズ範囲の詳細を分解できます。光はその波長より小さい詳細を分解できないため、室温の典型的な原子は、約 400 nm から 700 nm の範囲の波長を持つ可視光を使用して画像化することはできません。X 線はオングストローム範囲の波長のため画像化できますが、その高エネルギーは、観察するはずの原子そのものを破壊します。したがって、解決策は、原子の温度を下げることにあります (10 未満に)。-6 原子のド・ブロイ波長が増大し、可視光の波長に匹敵するようになるよう、原子の温度は 100 ケルビンまで低下します。極低温では、原子の波動性が測定可能になり、干渉測定に関係するようになります。
原子の温度がナノケルビン領域（10-9 400 ケルビンから約 1995 nK の範囲では、原子ボソンはボーズ アインシュタイン凝縮 (BCE) と呼ばれる第 XNUMX 状態の物質に遷移します。絶対零度に近いこのような超低温では、粒子の熱運動は極めて無視できるほど小さくなり、原子は XNUMX つの大きな実体に凝集し、大きな束の中の波として振る舞います。この原子の状態は、研究者にマクロスケールで量子システムを研究する機会を提供します。最初の原子 BCE は XNUMX 年にルビジウム原子のガスで作成されました。それ以来、この分野では多くの技術の進歩が見られました。 分子BEC 最近、NaCs分子が5ナノケルビン（nK）の極低温で生成されました。
宇宙の微小重力環境は量子力学研究に適している
地上の実験室の重力では、効果的な冷却のために原子を所定の位置に保持するための磁気トラップを使用する必要があります。また、地上の実験室では重力によって BEC との相互作用時間が制限されます。宇宙実験室の微小重力環境で BEC を形成することで、これらの制限を克服できます。微小重力環境は相互作用時間を長くし、印加磁場による妨害を減らすことができるため、量子力学研究をより適切にサポートできます。現在、BCE は宇宙の微小重力条件下で日常的に形成されています。
国際宇宙ステーション（ISS）の冷原子核実験所（CAL）
コールド アトム ラボラトリー (CAL) は、国際宇宙ステーション (ISS) に設置されたマルチユーザー研究施設で、宇宙の微小重力環境における極低温量子ガスの研究を目的としています。CAL は、ジェット推進研究所の運用センターから遠隔操作されます。
この宇宙施設では、10秒以上の観測時間と100ピコケルビン（1 pK = 10-12 量子現象の研究のための超高真空（ケルビン）です。
コールド アトム ラボは 21 年 2018 月 2018 日に打ち上げられ、2018 年 XNUMX 月下旬に ISS に設置されました。XNUMX 年 XNUMX 月、この宇宙施設でボーズ アインシュタイン凝縮体 (BEC) が生成されました。これは、地球軌道上で第 XNUMX の物質状態が生成された初めてのケースでした。その後、極低温原子干渉計の配備に伴い、施設はアップグレードされました。
CALは近年多くのマイルストーンを達成しました。2020年には宇宙でルビジウム・ボーズ・アインシュタイン凝縮体（BEC）が生成されました。また、微小重力環境が冷却原子実験に有利であることが実証されました。
昨年、2023年に研究者らは、 87Rbと 41K は、コールド アトム ラボラトリー施設で宇宙で初めて 2 つの原子種による同時原子干渉測定を実証しました。これらの成果は、宇宙での自由落下の普遍性 (UFF) の量子テストにとって重要なものでした。
宇宙ベースの量子技術の最近の進歩
13年2024月XNUMX日に発表された報告書によると、研究者は 87研究チームは、CAL原子干渉計でRb原子を観測し、150つの経路探索実験を成功裏に実施しました。CAL施設に搭載されたXNUMXパルスマッハ・ツェンダー干渉計を使用して、ISSの振動を測定できました。これは、宇宙で量子センサーを使用して周囲の変化を検出した初めてのケースでした。XNUMX番目の実験では、ラムゼーせん断波干渉法を使用して、XNUMX回の実行で干渉パターンを示しました。パターンは、XNUMXミリ秒以上の自由膨張時間にわたって観察可能でした。これは、宇宙で自由落下する原子の波動特性を実証した最長の例です。研究チームは、宇宙で原子干渉法を使用した最初の量子センサーの実証として、ブラッグレーザー光子反跳も測定しました。
宇宙に配備された極低温原子干渉計の重要性
原子干渉計は原子の量子的性質を利用し、加速度や磁場の変化に非常に敏感であるため、高精度のツールとして応用されています。地上の原子干渉計は重力の研究や高度なナビゲーション技術に使用されています。
宇宙に設置された原子干渉計は、磁場の影響がはるかに少ない自由落下条件を提供する持続的な微小重力環境という利点があります。また、ボーズ・アインシュタイン凝縮体 (BEC) がピコケルビン範囲の低温に達し、より長い期間存在するのに役立ちます。最終的な効果は、観測時間が延長され、研究の機会が増えることです。これにより、宇宙に配備された極低温原子干渉計は高精度の測定能力を備え、スーパーセンサーになります。
宇宙に配備された超低温原子干渉計は、密度の変化を示す重力の非常に微妙な変化を検出することができます。これは、惑星の組成や質量の変化の研究に役立ちます。
高精度の重力測定は、暗黒物質や暗黒エネルギーをより深く理解し、観測可能な宇宙を記述する一般相対性理論や標準モデルを超えた微妙な力の探究にも役立ちます。
一般相対性理論と標準モデルは、観測可能な宇宙を説明する 5 つの理論です。素粒子物理学の標準モデルは、基本的には量子場理論です。宇宙の 95 % のみを説明し、残りの XNUMX % は私たちが理解していない暗黒形態 (暗黒物質と暗黒エネルギー) です。標準モデルでは、暗黒物質と暗黒エネルギーを説明できません。物質と反物質の非対称性も説明できません。同様に、重力も他の場とまだ統一できていません。現在の理論とモデルでは、宇宙の現実は完全には説明されていません。巨大な加速器や観測所では、自然のこれらの謎の多くを解明することはできません。最も正確なセンサーである宇宙ベースの極低温原子干渉計は、研究者がこれらの疑問を探求し、宇宙に対する理解のギャップを埋める機会を提供します。
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参照：
- ピエール・メイストル 1997. 原子が波になるとき。 https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- NASA. コールドアトム研究所 – 宇宙ミッション。 https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC, et al. 地球周回研究室におけるボーズ・アインシュタイン凝縮体の観測。Nature 582, 193–197 (2020)。 https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP et al.「宇宙における量子ガス混合物と二種原子干渉法」Nature 623, 502–508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- ウィリアムズ、JR、 ら 2024年。国際宇宙ステーションのコールドアトムラボにおける原子干渉計を用いたパスファインダー実験。Nat Commun 15, 6414。発行日：13年2024月XNUMX日。DOI： https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 プレプリント版 https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- NASAが宇宙で初めて「超低温」量子センサーを実証。13年2024月XNUMX日公開。 https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
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