原子を「隠す」？この大胆なアイデアは、原子の低温記録を破ることに成功した。

原子を冷却できる温度が下がり続けるにつれて、物理学者は「ドップラー冷却限界」を突破し、「ドップラー以下の冷却限界」に徐々に近づいています。原子をさらに冷却するには、さらに多くの問題を克服する必要があります。たとえば、原子とレーザービーム間の散乱相互作用や、自然放射時の光子の反跳効果により、原子がランダムウォーク状態になり、原子が完全に「静まる」ことが難しくなる場合があります。

言い換えれば、非常に困難を伴ってほぼ静的な状態まで冷却されたこれらの原子は、光子の反動によって再び加熱され、「レーザー冷却-反動加熱」間の動的な熱バランスを実現します。

では、原子が到達できる最低温度は「ドップラー冷却限界以下」だけということでしょうか?

図 1: ヘリウム原子 (ギャラリーからの著作権画像、転載は著作権紛争を引き起こす可能性があります)

01大胆なアイデア：原子を「隠す」

もちろん違います。物理学者たちは大胆なアイデアを思いついた。レーザー光線との散乱相互作用を再び避けるために、非常に困難を伴って冷却されたこれらの原子を「隠して」しまえばよいのではないか？これにより、原子は真に「冷却」され、光子の反動によって再び加熱されることがなくなります。

この大胆なアイデアを検証するために、物理学者は「速度選択コヒーレントポピュレーショントラッピング（VSCPT）」と呼ばれる独創的な実験スキームを提案しました。この実験スキームの助けを借りて、物理学者はほぼゼロの速度を持つ原子を「暗黒状態」にすることができ、それによって原子とレーザービーム間の散乱相互作用を回避し、最終的に「ドップラー以下の冷却限界」を突破することができます。

02 原子をどこに隠すか?暗闇に隠れて

名前が示すように、ここでの「暗状態」とは、原子がレーザーと相互作用できない特定の基底状態にあることを指します。読者が「原子がどのようにして「暗黒状態」に移行するか」というプロセスをよりよく理解できるように、最も単純な 3 レベルの原子モデルを検討します。

図3 特定の遷移を経る3レベル原子の模式図

（画像出典：著者描き下ろし）

図4 3準位原子の自発放射の模式図

（画像出典：著者描き下ろし）

図5 3レベル原子の「暗状態」への最終的な遷移の模式図

（画像出典：著者描き下ろし）

03 原子の低温記録を更新 - 「サブドップラー冷却限界」を突破！

諺にあるように、想像できる限り、できないことはないのです。

上記の大胆なアイデアを検証するために、フランスのパリにある高等師範学校のクロード・コーエン・タヌギの研究グループは、1988年に「速度選択コヒーレントレイアウトトラッピング」と呼ばれる実験スキームを提案し、ヘリウム原子（4He）を約2マイクロケルビン（すなわち10-6 K）の超低温まで冷却することに成功しました。

比較すると、ヘリウム原子の「ドップラー冷却限界」は 23 マイクロケルビンですが、理論上のヘリウム原子の「ドップラー以下の冷却限界」は約 4 マイクロケルビンです。言い換えれば、研究チームは当時のヘリウム原子の冷却における最低温度記録を破り、物理学者が実験的に「ドップラー以下の冷却限界」を突破したことを示した。

図6 ヘリウム原子

(ギャラリーの著作権保護された画像、転載は著作権紛争につながる可能性があります)

読者の中には、前述の「速度選択的コヒーレントレイアウト制限」実験スキームが、いわゆる「速度選択性」をどのように反映しているのか疑問に思う人もいるかもしれません。

図7 静止したヘリウム原子の遷移の模式図

（画像出典：著者描き下ろし）

図8 運動中のヘリウム原子の遷移の模式図

（画像出典：著者描き下ろし）

理論的には、2 つのレーザー ビームの周波数などのパラメータを正確に調整すれば、原子を非常に低い平均速度で運動する状態まで冷却できます。原子とレーザー光の相互作用時間が長くなるにつれて、原子の温度は絶対零度に達するまで低下し続ける可能性があります。

04 念願の栄誉：1997年ノーベル物理学賞

低温の限界を探究することに専念している物理学者にとって、原子をμKレベルまで冷却するだけでは不十分です。彼らは、原子の低温限界をさらにnK（ナノケルビン、または10-9 K）レベルまで押し上げ、それによって原子冷却の低温記録をさらに更新したいと考えています。

そこで 1995 年、C Cohen-Tannoudji の研究グループは再び「速度選択コヒーレント配置トラッピング」実験スキームを使用し、ヘリウム原子クラスターの温度を 3 次元運動方向で約 180 nK まで冷却することに初めて成功しました。そして1997年に、研究チームは冷却されたヘリウム原子の温度を直接測定できる新しい温度測定方式を提案しました。測定結果によると、「速度選択コヒーレント配置トラッピング」方式を使用して冷却されたヘリウム原子の最低温度は約 5 nK です。

フランスの物理学者C・コーエン＝タヌージが1997年にノーベル物理学賞を受賞し、その年の賞金の3分の1を受け取ったのは、まさに原子冷却の限界の探究に対する彼の卓越した貢献によるものでした。

図9 レーザー冷却技術ソリューションの開発履歴（画像出典：参考文献4）

結論

要約すると、物理学者は豊かな想像力と独創的な実験計画により、原子の冷却限界を当初の mK レベルから μK レベルまで下げ、最終的に nK レベルの超低温に到達しました。

では、原子数の多い原子集団では、低温条件下でもマクロの世界と同様の「凝縮現象」が発生するのでしょうか？実際、この科学的推測は、100年前に2人の偉大な物理学者（アルバート・アインシュタインとS.N.ボース）によっても議論されていました。

次は、この100年前の科学的推測が実現可能かどうか、好奇心を持って一緒に答えを見つけていきましょう！

著者: ルアン・チュンヤン博士、清華大学物理学科

査読者: 羅慧謙、中国科学院物理研究所研究員

制作：中国科学普及協会

参考文献

[1] (VSCPT) 側面 A、アリモンド E、カイザー R、他。速度選択コヒーレントポピュレーショントラッピングによる1光子反跳エネルギー以下のレーザー冷却[J]。フィジカルレビューレターズ、1988年、61(7):826。

[2] (C Cohen-Tannoudji、1995-ヘリウム原子群-180 nK) Lawall J、Kulin S、Saubamea B、et al。単一光子反跳限界を超えたヘリウムの3次元レーザー冷却[J]。フィジカルレビューレターズ、1995年、75(23):4194。

[3] (C Cohen-Tannoudji、1997 - 一次元ヘリウム クラスター - 5 nK) Saubaméa B、Hijmans TW、Kulin S、他。極低温原子の空間相関関数の直接測定[J]。フィジカルレビューレターズ、1997年、79(17):3146。

[4] 荘維、李天初。レーザー冷却と原子の操作：原理と応用[J]。科学技術評論、2018年、36(5):28-38。