研究室紹介OPAL-RING
岸本 研究室

ここ十数年で最も進歩した物理学の研究領域は、どのような分野であるか想像がつくでしょうか。もちろん、そこにはさまざまな観点があるでしょうが、レーザーを使って「気体状態の原子（気体原子）」を冷却したり、捕獲したりする「レーザー冷却」分野はその一つと言えるでしょう。ノーベル賞を科学の発展の一つの指標と考えれば、この分野の近年の受賞数はかなりの数にのぼるのです。

日進月歩のレーザー冷却

ボース・アインシュタイン凝縮

レーザー冷却技術を使ったこれまでの最大の成果が、コーネル教授らが95年に見いだした気体原子におけるＢＥＣの実現です。ＢＥＣは「ボース粒子」と呼ばれる多数の量子力学的な粒子の希薄な気体が、０Ｋ近くまで冷やされた時に生じる凝縮現象です。
ＢＥＣは理論上では昔から知られており、その名が示すように、物理学者のボースが同僚のアインシュタインにそのアイディアを提案し、アインシュタインが一般化して発展させたと言われています。
量子力学の世界では、原子は「粒子」と「波」の二つの性質を持ちますが、原子を気体状態のまま冷却すると、「波」の性質がよりはっきりと現れます。原子を１μＫ以下の極限まで冷却すると、量子力学的な効果が顕著になり、さらに原子の「波」同士が重なり合う程度まで高密度になると、ＢＥＣ状態が出現します。「量子現象が、現実の世界で“巨視的”に現れるという点で、ＢＥＣは大変興味深い現象」（岸本准教授）なのです。ＢＥＣを観測することが、そのまま量子力学の理論の正しさの検証につながるわけです。
ＢＥＣを生成する方法はいくつかありますが、現状では、凝縮体を連続的に作る方法は確立されていません。これまでに非常に多岐にわたって量子気体の物理に関する画期的な実験がなされているものの、どの実験もそのたびに凝縮体を数十秒ほどで作り、現象を観測しては壊す、といった地道な作業を繰り返さねばなりませんでした。

連続的生成に向けて

こうしたことを背景に、岸本准教授は、凝縮体を連続的に生成するための新たな研究に近年、乗り出しました。一般的なアルカリ原子であるルビジウム原子を気化させ、そこに今までの手法で用いられてきた近赤外のレーザー以外に、新たに実用的な波長帯の光線である青色のレーザーを当て、さらに特別な波長を利用する「魔法波長」の概念を導入した、全く新しいコンセプトを提案しています。既に数十μＫまで冷やせることを確かめており、鍵となる「位相空間密度」は現在の手法にはまだわずかに届きませんが、それでも10のマイナス６乗程度まで下げられています。
連続的に凝縮体を供給できれば、究極的には、「蛇口をひねれば、モノを冷やしたい時にすぐに凝縮体が出てくる」といったような状況が作れるそうです。実証に向けて半分程度まで準備が整ってきたといい、最終的に「シンプルでエレガントな手法を確立したい」と岸本准教授は考えています。「現行のレベルまでまだ到達していなくても、簡易で効率的な方法が確立すれば、将来、一気に普及することもある」と期待しています。

光格子時計や量子計算機へ

最近、時計の精度を宇宙年齢である“１３８億年に１秒”の誤差以下まで抑えた「光格子時計」が注目されています。原子レーザーを使えば、より短い時間でこの精度を達成できる可能性があるそうです。
これらの極低温の量子気体の集団は、近年では、超高速計算機である「量子コンピュータ」の研究にも利用されています。また、超伝導や超流動といった振る舞いもＢＥＣが関わっていると考えられているほか、ブラックホールや超新星などの宇宙の現象との類似性も指摘されており、今後、新たな物理現象の発見や解明につながることが期待されます。
【取材・文＝藤木信穂】