予想外の発見が科学者たちに衝撃を与えた。原子はどれほどクールなのか？

前回の記事「その通り！レーザーは本当に粒子を冷却できる！」で、原子の減速プロセスが原子と光子の相互作用の結果であることをすでに説明したと思います。この減速プロセスでは、まず原子が向かってくる光子を吸収し、衝突によって減速します。次に、原子は新しい光子を放出します。これがいわゆる「誘導放出」プロセスです。

誘導放射線で光子を「吸収」および「放出」する原子の模式図（ライブラリの著作権画像、転載および使用は著作権紛争を引き起こす可能性があります）

さらに、物理学者は、3次元空間内の原子クラスターに6方向から同時にレーザー光線を照射し、原子クラスターの冷却と捕捉のプロセスを実現しました。しかし、この時点では原子はまだランダムウォーキングの状態にあり、完全に停止することはできません。したがって、原子を理論的に冷却できる最終温度は、ドップラー冷却とランダム加熱のバランスによって決まり、これが「ドップラー冷却限界」（通常は数百 uK 程度）となります。

実際、上で述べた数百 uK はすでに非常に低い温度です。これを私たちの生活で馴染みのある摂氏温度に換算すると、-273.149 ℃未満（つまり絶対零度より 0.001 K 未満）に相当します。しかし、当時のほとんどの物理学者が原子の極低温に到達したと信じていたちょうどそのとき、予期せぬ発見が原子に関する彼らの理解を再び更新したのです。

01歴史に残る意外な発見：「ドップラー冷却限界」を突破するのはこんなに簡単だったのか？

1987 年、アメリカ国立標準技術研究所 (NIST) のウィリアム フィリップスの研究チームは、ナトリウム原子に「ドップラー冷却」方式を適用したところ、ナトリウム原子が超低温に冷却されることを予想外に観察しました。

当初、ウィリアム・フィリップスのチームは、ナトリウム原子クラスターの温度測定の偏差を引き起こしたのは単なる実験誤差だと考えていました。その後、研究者たちは3つの異なる測定方法を用いて実験結果を検証したが、冷却されたナトリウム原子クラスターの温度が理論上の「ドップラー冷却限界」よりも実際に低いことがわかり、驚いた。この予期せぬ実験的発見は他の研究者によって厳格に検討され、翌年、世界トップの物理学雑誌「Physical Review Letters」に掲載されました。

この予期せぬ発見のおかげで、物理学者たちは、当初のドップラー冷却理論ではもはやこの新しい実験現象を説明するのに十分ではないことを痛感しました。そこで、1988年から1989年にかけて、スタンフォード大学のチューグループとフランスのパリにある高等師範学校のコーエン・タヌージグループが独立してこの新しい現象の包括的な分析を実施しました。理論的には、原子内部のより洗練されたエネルギーレベル構造やレーザービームの光偏光特性などの要素を十分に考慮し、最終的に「ドップラー冷却限界」を突破したこの奇妙な現象を説明することに成功した。

そのため、物理学者たちは実験パラメータを継続的に最適化し、原子クラスターの冷却温度をさらに下げようと試みました。 1989 年、チュー氏のチームはナトリウム原子クラスターの冷却温度をさらに 15 uK - 30 uK の範囲まで下げました。同年、アメリカ国立標準技術研究所のクリストファー・ウェストブルックの研究グループも、実験でナトリウム原子クラスターの温度を約20 uKまで下げることに成功しました。その後、1990年にフランスの物理学者クレロン、グラティらは、冷却対象をナトリウム（Na）原子から新たなセシウム（Cs）原子系に変更し、セシウム原子クラスターの超低温を達成することに成功しました。

では、原子システムにはどのような秘密が隠されていて、数え切れないほどの物理学者がその冷却原理を深く探求し続け、物理学者の原子に関する既存の理解を何度も更新しているのでしょうか?

02 「偶然の発見」の裏には、私たちが身近な原子を過小評価していたことが！

実際、以前原子の誘導放射プロセスについて議論したとき、私たちは原子内部の基底状態と励起状態の 2 つのエネルギー レベル間の遷移のみを考慮しました。これは 2 レベル システムの最も単純な原子モデルです。通常、基底状態の原子が衝突光子を吸収すると、「基底状態 → 励起状態」への原子遷移プロセスが発生します。その後、原子は再び「励起状態→基底状態」という逆のプロセスを経て、完全な誘導放射サイクルを完了します。

原子の「誘導放射サイクル」の模式図（ライブラリの著作権画像、転載や使用は著作権紛争の原因となる可能性があります）

しかし、実際の原子構造は単純な 2 レベル システムではありません。通常、原子の基底状態には、エネルギーが近い複数のサブエネルギーレベルが存在します。この構造は「超微細構造」と呼ばれます。さらに、各タイプの原子はそれぞれ独自の複雑なエネルギーレベル構造を持っているため、原子を駆動して各誘導放射サイクルを完了させる実験の難易度がさらに高まります。そのため、原子内部の超微細構造を注意深く考慮しないと、原子は再びリサイクルできない基底状態サブエネルギーレベルに陥る確率が一定量あり、この厄介な基底状態サブエネルギーレベルは「暗黒状態」とも呼ばれます。

「暗黒状態」の妨害により原子の誘導放射サイクルが「衝突」するのを防ぐために、物理学者はレーザービームに追加の偏光変調を加える必要がある。このようにして、原子は「暗状態→励起状態」の共鳴遷移プロセスを完了し、誘導放射のサイクルに戻り、レーザービームによって継続的に冷却されます。この技術の応用が成功したことにより、原子の冷却温度は「ドップラー冷却限界」を突破することができ、原子冷却技術の発展を大きく促進することができます。そのため、「サブドップラー冷却」方式とも呼ばれます。

これを読んで混乱する読者もいるかもしれません。ここでのレーザー偏光変調とは何でしょうか?しかし、それは問題ではありません。読者が上記の「サブドップラー冷却」プロセスを理解しやすいように、例を挙げてみましょう。

03 原子のサブドップラー冷却：苦痛に満ちた「シシュポス」サイクル

「シシュポス」冷却サイクルにおける原子の模式図

(画像出典: NobelPrize.org)

したがって、物理学者は、ルビジウム原子が自身のエネルギーを何度も繰り返して継続的に散逸できるように、宇宙におけるレーザービームの偏光状態などのパラメータを正確に調整するだけでよいのです。物理学者の目には、このルビジウム原子は、ギリシャ神話のシシュポスのようなもので、毎日岩を山頂まで押し上げ、疲れることなく減速のプロセスを繰り返すことしかできない。そのため、レーザービームの偏光勾配を利用して原子を連続的に冷却するこのサブドップラー冷却方式は、「シシュポス冷却」とも呼ばれています。

結論：光子反跳の冷却限界に近づく

上記の分析の後、原子が「シシュポス冷却」の連続サイクルを経験した後でも、自発放射の過程で光子の反動力の影響を受けることが容易にわかります。しかし、単純なドップラー冷却と比較すると、原子は誘導放射の冷却サイクルをより効率的に完了することができます。

一般的に言えば、「シシュポス冷却」後の原子の平均温度は、ドップラー冷却の温度限界よりも 10 ～ 100 倍低くなります。つまり、原子の「シシュポス冷却」限界温度は数 uK のオーダーであり、これは絶対零度より0.00 001K 未満高い温度に相当します。原子はまだ絶対零度の完全な静止状態には達していないが、そのような低温はすでにほとんどの初期の原子物理学実験のニーズを満たしている。

しかし、こだわりの強い物理学者たちは、光子の反動による冷却限界を再び突破し、原子の冷却温度を新たな低温度まで下げたいと、心に固く信じています。

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

制作：中国科学技術出版社、中国科学技術出版社（北京）デジタルメディア株式会社

参考文献

[1] Lett PD、Watts RN、Westbrook CI、et al。ドップラー限界以下にレーザー冷却された原子の観測[J]。フィジカルレビューレターズ、1988年、61(2):169-172。

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[6] ドップラー限界NobelPrize.org。ノーベル賞アウトリーチ AB 2024。木。 2024年4月4日。