原子物理学：チャープレーザーパルス列により超低速度まで冷却されたポジトロニウム

レーザー放射を巧みに利用すると、原子や分子を冷却することができ、量子系の精密な測定や制御が可能になる。これは、物理学の基礎研究だけでなく、精密分光、量子統計性が顕著となる超低温気体、量子コンピューティングなどの実用的な応用にも不可欠である。レーザー冷却では、原子は、レーザー光子の吸収と無秩序な方向への自然放出を繰り返すことによって、これ以外の方法では到達不可能な速度にまで減速される。単純な系であれば、基礎物理学の厳密なテストの場の役割を果たすことができ、そうした例の1つが、純レプトンのポジトロニウム、すなわち、電子とその反粒子の陽電子からなるエキゾチックな原子である。しかし、ポジトロニウムのレーザー冷却はこれまで実現されていなかった。今回我々は、ポジトロニウムの一次元レーザー冷却を実証する。中心周波数を次々に増加させた広帯域パルス列を出力する革新的なレーザー系を用いることによって、短いポジトロニウム寿命、およびドップラー広がりと反跳の影響という大きな難題が克服された。一次元チャープ冷却によって、希薄ポジトロニウム気体の一部が100 nsで約1 Kの速度分布にまで冷却された。今回の純レプトン系に関する研究は、反物質の低温基礎物理学の分野における大きな進歩であり、ハドロンを含むエキゾチック原子である反水素に関する研究と相補的である。ポジトロニウムへのレーザー冷却の適用に成功したことで、束縛系量子電気力学の厳密な検証、そしてこの物質–反物質系でボース・アインシュタイン凝縮を実現できる可能性のある、他に類を見ない機会が得られる。

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