最近発表された報告書で、コロンビア大学のウィル研究室チームは、BEC閾値を超え、5ナノケルビン（= 5×10-9 ケルビン）。分子量子凝縮は約 2 秒の寿命で安定していました。これにより、数十年にわたる分子 BEC の追求が終わりました。これは注目すべき成果であり、科学における画期的な出来事です。
物質は温度や圧力などの外部条件に応じて固体、液体、気体の3つの状態のいずれかになることはよく知られています。たとえば、H2O は通常の外部環境では氷、水、または蒸気として存在します。
温度が 6000 ～ 10,000 ケルビンを超えると、物質はイオン化され、物質の第 XNUMX の状態であるプラズマに変わります。
温度が絶対零度に近い超低温の場合、物質の状態はどうなるでしょうか?
1924年から25年にかけて、サティエンドラ・ナート・ボースとアルバート・アインシュタインは、 ボソン 粒子（つまり、整数のスピン値を持つ実体）を絶対零度に近い超低温に冷却すると、粒子は量子力学の法則によって支配される共通の性質と動作を持つ単一の大きな実体に凝集します。ボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）と呼ばれるこの状態は、物質の第 5 の状態であると考えられていました。
| 物質の状態 | 存在温度範囲 |
| プラズマ | 6000～10,000K以上 |
| ガス | 水の場合、通常の大気圧で100°C以上 |
| 液体 | 水の場合、4℃～100℃ |
| コールテン | 水の場合、0°C以下 |
| ボーズ・アイゼンシュタイン凝縮（BEC） | 絶対零度近く 原子ボソンの場合約400ナノケルキン 分子BCEは約5ナノケルビン {1 ナノケルビン (nK) = 10 -9 ケルビン} 絶対零度 = 0ケルビン = -273°C |
物質の第 1995 の状態であるボーズ アインシュタイン凝縮 (BEC) の理論的予測は、約 2001 年後の XNUMX 年にエリック コーネルとカール ウィーマンがルビジウム原子のガスで最初の BEC を作成し、その後すぐにヴォルフガング ケッテルレがナトリウム原子のガスで BEC を作成したことで現実のものとなりました。この XNUMX 人は XNUMX 年のノーベル物理学賞を共同で受賞しました。アルカリ原子の希薄気体におけるボース・アインシュタイン凝縮の達成と、凝縮体の性質に関する初期の基礎研究"
物質の第五状態に関する科学の進歩のタイムライン
| マイルストーン |
| 1924-25年: 物質の第XNUMXの状態の理論的予測。 サティエンドラ・ナート・ボースとアルバート・アインシュタインは、絶対零度近くまで冷却されたボソン粒子のグループが、量子力学の法則によって規定される共通の性質と動作を持つ単一のより大きな超実体に合体するという理論的予測を立てました。 |
| 1995年：物質の第XNUMXの状態の発見 – 最初の原子BECが作成。 ボーズとアインシュタインの理論的予測は、70年後にエリック・コーネルとカール・ヴィーマンがルビジウム原子のガスで最初のBECを作成し、その後すぐにヴォルフガング・ケッテルレがナトリウム原子のガスでBECを生成したときに現実のものとなりました。 |
| 分子BCE ナノケルビンの超冷却を必要とする分子BCEの追求（10-9 ケルビン) 範囲 |
| 2008： デボラ・ジンとジュン・イェ カリウム-ルビジウム分子のガスを約 350 ナノケルビンまで冷却しました。 |
| 2023： イアンスティーブンソン ら レーザー冷却と磁気操作を組み合わせて、300ナノケルビン（nK）の温度でナトリウム-セシウム（Na-Cs）分子の超低温ガスを初めて生成しました。 |
| 2023: ニッコロ・ビガリ ら マイクロ波を使用して、ナトリウム-セシウム分子のボソンガスの寿命を数ミリ秒から 36 秒以上に延ばしました。これは、ボソンガスを冷却するための重要な第一歩です。寿命が延びたサンプルを使用して、温度を XNUMX ナノケルビンまで下げました。これは、分子が BEC を形成するのに必要な温度よりわずかに低い温度です。 |
| 2024： ニッコロ・ビガリ ら 5ナノケルビン（nK）の極低温で分子ボソン（NaCs分子）のBECを生成する |
1995 年の発見以来、世界中の研究所や国際宇宙ステーション (ISS) では、さまざまな種類の原子から原子 BEC を定期的に作成しています。
分子の ボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）
原子は、極性相互作用のない、単純な丸い実体です。そのため、研究者は分子からボーズ・アインシュタイン凝縮 (BEC) を作成することを常に考えてきました。しかし、分子 BEC の形成に必要な数ナノケルビン (nK) まで分子を冷却する技術がないため、異なる元素の 2 つの原子で構成された単純な分子からでも BEC を作成することは不可能でした。
コロンビア大学ウィル研究所の研究者たちは、一貫して極低温技術の開発に取り組んできました。2008年には、カリウム-ルビジウム分子のガスを約350ナノケルビンまで冷却することに成功しました。これは量子シミュレーションの実行や分子衝突および量子化学の研究に役立ちましたが、BEC閾値を超えることはできませんでした。昨年2023年、彼らはマイクロ波を使用してナトリウム-セシウム分子のボソンガスの寿命を延ばし、BEC閾値に近い36ナノケルビンという低温を達成することができました。
最近発表された報告書で、コロンビア大学のウィル研究室チームは、BEC閾値を超え、5ナノケルビン（= 5×10-9 ケルビン）。分子量子凝縮は約 2 秒の寿命で安定していました。これにより、数十年にわたる分子 BEC の追求が終わりました。これは注目すべき成果であり、科学における画期的な出来事です。
分子ボーズ・アインシュタイン凝縮体（BES）の創出は、基礎量子物理学、量子シミュレーション、超流動性、超伝導の研究、および新しいタイプの量子コンピュータなどの新技術の革新に長期的な関連性を持つでしょう。
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参照：
- Bigagli, N., Yuan, W., Zhang, S. et al. 双極子分子のボーズ・アインシュタイン凝縮の観測。Nature (2024). 03年2024月XNUMX日。DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492-z arXivのプレプリント版 https://arxiv.org/pdf/2312.10965
- コロンビア大学2024年。研究ニュース – ニューヨークで最も寒い研究所が新たな量子研究を提供。03年2024月XNUMX日掲載。 https://news.columbia.edu/news/coldest-lab-new-york-has-new-quantum-offering
- スウェーデン王立科学アカデミー。2001年ノーベル物理学賞「アルカリガス中のボーズ・アインシュタイン凝縮」に関する詳細情報。 https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2001-1.pdf
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