実験室で記録された最も寒い温度を作り出した科学者たち

実験室で記録された最も寒い温度を作り出した科学者たち物理

これにより、絶対零度に一歩近づくことができ、素粒子物理学に大きな影響を与える可能性があります。

ドイツの4つの大学の研究者たちは、実験室で記録された中で最も冷たい温度を作り出しました。

正確には、絶対零度よりも38兆分の1度暖かい温度で、Physical Review Letters誌に掲載されました。

ブレーメン大学の応用宇宙技術・微小重力センターでは、この骨の髄まで凍りつくような温度は数秒間しか持続しませんでしたが、この画期的な成果は、量子力学の理解に長期的な影響を与える可能性があるようです。

というのも、熱力学の法則に基づいて理論的に到達可能な最低温度である絶対零度に近づけば近づくほど、粒子、ひいては物質が特異な振る舞いをするからです。

例えば、液体ヘリウムは、かなりの低温になると「超流動体」となり、摩擦による抵抗を受けずに流れるようになります。

窒素は摂氏マイナス210度で凍ります。

十分に低い温度では、粒子が波のような性質を持つこともあります。

絶対零度は摂氏-273.15度、華氏-459.67度に相当しますが、一般的には0ケルビンと表記されます。

これは「自然界の基本的な粒子が最小限の振動運動をしている状態」であるといいます。

しかし、実験室で絶対零度の状態を作り出すことは不可能です。

今回は、原子の波動特性を研究していた研究者たちが、粒子をほぼ完全に停止させることで、システムの温度を下げるプロセスを思いつきました。

数秒間、粒子は完全に静止し、温度は38ピコケルビン(絶対零度の38兆分の1)という驚くべき値にまで下がりました。

この温度は、通常の温度計では検出できないほどの低さです。

この温度は、通常の温度計では検出できないほど低く、粒子の運動性がないことが基準となっています。

研究チームの論文によると、このメカニズムは「時間領域の物質波レンズシステム」であるといいます。

物質波とは、読んで字のごとく、波のような振る舞いをする物質のことです。

今回、科学者たちは、磁気レンズを使って量子ガスを形成し、それを使って物質の波の焦点を合わせ、特定の方法で振る舞わせました。

通常の気体は離散的な粒子のゆるやかな配列でできていますが、量子気体はそのような予測可能な材料ではありません。

今回の量子ガスは、ボース=アインシュタイン凝縮と呼ばれる不可解な物質の状態です。

レンズは、注意深く励起することで「調整」されます。

メガネのレンズを考えてみてください。

患者の目に応じて、焦点が近くなったり遠くなったりするように曲がり具合が設計されています。

今回の実験では、無限大に焦点が合うように調整されています。

光学と呼ばれる量子物理学のサブセットでは、量子ガスが通過する粒子を閉じ込め、粒子が一度に1つずつ、驚くほど遅い速度で通過することを意味しています。

研究チームは、「ボース=アインシュタイン凝縮(BEC)の励起と磁気レンズを組み合わせることで、時間領域の物質-波動レンズシステムを形成する」と書いています。

「焦点は、レンズポテンシャルの強さによって調整されます。焦点を無限大にすることで、BECの内部の全運動エネルギーを38pKにまで下げることができます。」

ブレーメン大学、ライプニッツ大学ハノーバー校、フンボルト大学ベルリン、ヨハネス・グーテンベルク大学マインツの研究者たちは、将来、研究者たちが粒子の速度をさらに遅くして、最高で17秒間の「無重力状態」を実現することを想定しているといいます。

University of Bremen, Popular Mechanics. Christian Deppner et al, Collective-Mode Enhanced Matter-Wave Optics, Physical Review Letters (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.100401, Vincenzo Tamma, 3D Collimation of Matter Waves, Physics (2021). DOI: 10.1103/Physics.14.119
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