Research press release

量子物理学:国際宇宙ステーションの実験室で観測されたエキゾチック物質

Nature

Quantum physics: Exotic matter on the International Space Station

物質の「第5の状態」であるボース・アインシュタイン凝縮が、国際宇宙ステーションで行われた実験で生成されたことを報告する論文が、今週、Nature に掲載される。宇宙の微小重力環境を利用することで、このエキゾチックな物質状態の基礎物理を探究できるようになると考えられる。

ボース・アインシュタイン凝縮は、ボソン(例えば、ルビジウム原子)の気体を絶対零度近くまで冷却すると生じる物質状態だ。この低温状態で、ボソンの集団は、量子特性を有する単一の実体になる。ボース・アインシュタイン凝縮は、量子力学によって支配される微視的世界と古典物理学によって支配される巨視的世界の境界をまたいでいるため、量子力学の基礎的知見をもたらすと考えられているが、重力のあるところでは、ボース・アインシュタイン凝縮を正確に測定できない。

こうした限界を克服するため、Robert Thompsonたちは、国際宇宙ステーション内の宇宙冷却原子実験室の運用を開始して、成果を上げたことを報告している。この論文で記述されているのは、微小重力条件下でボース・アインシュタイン凝縮が生成され、地球上で観測されたボース・アインシュタイン凝縮との特性の違いが測定されたことである。例えば、自由膨張時間(閉じ込めトラップを切った時に原子が浮遊し、測定できる状態にある時間)は、地球上で達成可能なのは数十ミリ秒が通例であるのに対し、1秒を超えていた。観測できる時間が長くなれば、測定精度は高くなる。また、微小重力条件下では、地球上での実験の場合よりも弱い力で原子をトラップできるため、さらに低温に冷却することが可能になり、エキゾチックな量子効果がますます顕著になる。

以上の初期実験の結果は、今後の超低温原子気体の研究が、宇宙空間に設置された実験室によって促進されることを示している。同時掲載のNews & Viewsでは、Maike Lachmannが、「地球周回軌道上(の宇宙船)でのボース・アインシュタイン凝縮の生成に成功したことで、量子気体や原子干渉法の新たな研究機会が明らかになり、さらに野心的なミッションへの道が開かれた」と述べている。

The generation of the fifth state of matter, Bose–Einstein condensates, onboard the International Space Station is reported in Nature this week. Exploiting the microgravity environment of space will allow scientists to explore fundamental physics in this exotic form of matter.

A Bose–Einstein condensate is a state of matter formed when a gas of bosons (such as rubidium atoms) is cooled down close to absolute zero. At this low temperature, the atoms become a single entity with quantum properties. Bose–Einstein condensates straddle the boundary between the microscopic world, governed by quantum mechanics, and the macroscopic world, governed by classical physics. As such, they may offer fundamental insights into quantum mechanics, but measuring them precisely is hampered by gravity.

To overcome these limitations, Robert Thompson and colleagues report the launch and successful operation of the Cold Atom Lab aboard the International Space Station. They describe the preparation of Bose–Einstein condensates in microgravity and measure differences in their properties to those observed on Earth. For example, the free-expansion time (how long atoms hover and can be measured after the confining traps have been switched off) extends beyond one second, as compared to tens of milliseconds typically achievable on Earth. Longer observation time translates into higher precision achievable in measurements. In addition, under microgravity conditions atoms can be trapped by weaker forces, making it possible to reach lower temperatures, at which exotic quantum effects become increasingly more prominent.

These initial experiments show that the space-borne laboratory can facilitate future studies of ultracold atomic gases. “The successful generation of Bose–Einstein condensates in orbit unveils new opportunities for research on quantum gases as well as for atom interferometry and paves the way for even more ambitious missions,” writes Maike Lachmann in an accompanying News & Views article.

doi: 10.1038/s41586-020-2346-1

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