絶対零度のすぐ上にある原子の雲
中国の研究者チームによると、同国の宇宙ステーションにある実験モジュール「夢天」でルビジウム原子の雲を9.7ピコケルビン相当まで冷却し、その膨張を7秒間観測した。極めて低い温度と長い観測時間という二つの条件を組み合わせた成果で、重力の測定や量子の振る舞いの精密な研究に役立つ可能性がある。
目次
中国科学院の宇宙応用工程・技術センターは2026年11月6日、この成果を発表した。「宇宙空間における10ピコケルビン未満の量子気体」と題する研究論文は、学術誌「サイエンス」にオンライン掲載された。同センターが北京大学、上海光学精密機械研究所と共同で研究を主導した。
研究チームは、今回の成果を人工物質の最低温度記録と位置付けている。9.7ピコケルビンは、ブレーメン大学のチームが2021年に達成した38ピコケルビンの約4分の1で、国際宇宙ステーション（ISS）に搭載されたNASAの冷却原子実験室が2022年に記録した52ピコケルビンの5分の1未満だ。
1ピコケルビンは1兆分の1ケルビン。今回の数値は、摂氏マイナス273.15度に相当する絶対零度より0.0000000000097ケルビン高い温度となる。この相当温度は、放出した原子が極めてゆっくり膨張する様子から算出する。温度が示すのは、装置内にあるごく小さな原子雲の運動だ。
地上約400キロの実験では、宇宙ステーションの微小重力環境を利用することで原子を閉じ込める力を弱め、地上の小型実験室では難しい長時間の観測を可能にした。
原子の冷却とは
ルビジウム原子は通常、さまざまな方向に異なる速さで動いている。冷却すると、原子の集団のランダムな運動が抑えられる。極低温で密度が適切な場合、原子はボース・アインシュタイン凝縮体を形成することがある。多くの原子が共通の量子状態をとり、集団として振る舞う状態だ。
凝縮体は、通常なら個々の粒子に結び付けられる現象を調べるための、より大きく制御可能な系となる。研究者は、激しく動く原子を一つずつ追う代わりに、秩序だった雲を作り、その環境を変えながら反応を測定できる。
実験で得られる相当温度は、放出後に原子雲がどれほどゆっくり広がるかを基に算出する。原子同士の相対運動が極めて小さい雲は、ごくゆっくり膨張する。その様子を観測すれば、運動に伴うエネルギーを推定できる。
熱力学の法則上、絶対零度に到達することはできない。実験では、原子の運動を十分に抑えて微弱な効果を捉え、実用的な条件をより長く保つことを目指す。今回の実験では、7秒間の観測が成果の重要な要素となった。
宇宙での7秒間が重要な理由
地球の重力は冷却実験に関連する二つの問題をもたらす。研究者が原子を閉じ込める力を弱めると、原子は下方へ引かれる。また、放出した雲を観測装置内にとどめられる時間も限られる。閉じ込める力を弱めれば冷却しやすくなる一方、重力に抗して原子を支える力も弱くなる。
宇宙ステーションと実験装置は一体となって地球の周りを落下している。これにより微小重力が生まれ、原子をより弱い力で閉じ込めたまま装置の近くに保てる。研究者はさらに冷却し、膨張をより長く観測できる。
マサチューセッツ工科大学の物理学教授で、2001年のノーベル物理学賞受賞者でもあるヴォルフガング・ケターレ氏は、地上で7秒間にわたって実験する際の難しさを次のように説明した。
地上では約250メートル落下するため、高さ250メートルの真空チャンバーがなければ、実際に地面に衝突してしまう
軌道上の実験室なら、小型の装置で長時間の観測が可能になる。地上の研究者が装置を遠隔操作し、自動制御を使ってタイミングを精密に調整した冷却手順を実施する。
レーザー光で原子を閉じ込める
装置には原子の供給源として、約5グラムの金属ルビジウムが搭載されている。まず金属を加熱して蒸気を発生させる。続いてレーザーと磁場で蒸気中の原子を捕捉し、初期冷却した後、レーザー光で形成したトラップに移す。
研究チームは、交差させた光トラップを二段階で使う。光トラップでは、配置を調整したレーザー光線が力を及ぼし、原子を狭い領域にとどめる。光の強度を下げるとトラップが浅くなり、エネルギーの高い原子が逃げ出す。残った原子の平均エネルギーは下がる。これは蒸発冷却と呼ばれる。
最終段階では非断熱膨張を用いる。閉じ込める力を制御しながら変化させて雲を膨張させ、実効温度に関わる運動をさらに抑える。この一連の段階により、ルビジウム原子の雲は10ピコケルビンを下回った。
一方、微小重力は技術的な難題ももたらした。光トラップ内での蒸発冷却の効率が下がったのだ。研究チームは、空間に応じて強さが変化する磁場である磁場勾配を追加する手法を開発し、冷却を補助して高純度の凝縮体を作り出した。
高度な冷却段階では光トラップが中心的な役割を果たし、準備過程の一部では磁場が補助する。レーザー強度やタイミング、周囲から受ける外乱を精密に制御し、これらの役割を連携させる必要がある。
国際宇宙ステーションとは異なる手法
NASAの冷却原子実験室では、原子チップで形成した磁気トラップや高周波蒸発冷却、短いパルスを使う最終冷却法が用いられてきた。一方、中国のチームは光による閉じ込め、光の強度を調整する蒸発冷却、膨張による高度な冷却を選んだ。
研究者らによると、光トラップは将来の実験に有用な柔軟性をもたらし、閉じ込め中の磁気干渉の影響を抑える。複数のレーザー光線を使えば、量子シミュレーションに役立つ構造も作れる。量子シミュレーションでは、制御可能な原子系を使い、別の物理系の特徴を再現する。
過去の記録は二つの比較対象となる。ブレーメンのチームは2021年、落下塔で短時間の微小重力を作り、38ピコケルビンを達成した。ISSでの実験は2022年に52ピコケルビンを記録した。中国が報告した9.7ピコケルビンは、ブレーメンの数値より約3.9倍、先行する軌道上の記録より約5.4倍低い。
今回の実験は、温度記録に加え、膨張を7秒間観測した。精密な実験を準備する研究者にとって、温度記録だけよりも、原子雲の運動が遅く、長く観測できることの方が有用な場合がある。
地上の実験室から軌道上の装置へ
地上の装置は約20立方メートルの空間を占め、重さは約10トンだった。詳細な設計資料によると、軌道上の装置は約0.7立方メートル、500キログラム。センターの発表では、1立方メートル未満、約300キログラム、消費電力約700ワットとも説明されており、重量の違いについては説明されていない。
詳細な設計数値を基にすると、軌道上のシステムの体積は地上装置の約29分の1、重量は20分の1となる。これほどの小型化を実現するには、レーザー、精密光学機器、真空装置、電子制御装置を限られた空間内で連携させる必要があった。
開発チームは、レーザーシステムに光ファイバー接続を採用し、レーザーの精密制御、超高真空、自動制御電子機器、振動遮断を組み合わせた。真空は不要な気体粒子との衝突を抑え、振動遮断は繊細な原子雲を乱す機械的な揺れを抑える。
装置はモジュール式の設計も採用している。研究者は実験モジュールやタイミング手順を選んでさまざまな研究を行えるため、一つの冷却実験に限らず、複数の量子研究に同じプラットフォームを利用できる。
打ち上げ前に乗り越えた重要な壁
プロジェクトは装置が軌道に到達するはるか前の2011年に初期評価を開始した。2021年末、後の冷却段階に必要なボース・アインシュタイン凝縮体の生成に繰り返し失敗し、重要な問題に直面した。
開発チームは、装置を予定飛行に載せるかどうかの判断を前に、問題解決のための追加期間として10日間を確保した。システム全体のハードウェアとソフトウェアを検証し、調整した。2022年1月8日未明、ついに凝縮体の生成に成功し、打ち上げに向けた重要な段階をクリアした。
主な節目は10年以上にわたる。
- 2011年：宇宙ステーションでの極低温原子実験の初期評価を開始。
- 2021年末：凝縮体の生成が難航し、装置を予定の飛行に載せる計画が危ぶまれる。
- 2022年1月8日：集中的な原因究明の末、必要な凝縮体の生成に成功。
- 2022年：実験設備が実験モジュール「夢天」に搭載され、宇宙ステーションへ運ばれる。
- 2026年11月6日：9.7ピコケルビンの成果を発表し、研究論文が「サイエンス」にオンライン掲載。
北京大学の周暁吉教授と上海光学精密機械研究所の陳偉標研究員が、論文の責任著者に名を連ねた。共同筆頭著者には、上海光学精密機械研究所の李堂氏と、北京大学の熊偉氏、金勝傑氏が含まれる。
長時間の測定で微弱な効果を捉える
新たなプラットフォームの恩恵が期待される装置の一つが、原子干渉計だ。原子の波としての性質を利用し、原子波を分割して再結合することで、加速度や重力などの影響を干渉パターンから読み取る。
ドイツのライプニッツ大学ハノーファー校の物理学教授、エルンスト・M・ラゼル氏は、こうした装置が必要とする条件を次のように説明した。
原子干渉計は、多数の原子を含む極低温の集団を供給する源と、長い観測時間から大きな恩恵を受ける
ラゼル氏は、干渉計の感度は原子が装置内にとどまる時間の二乗に比例して高まると説明した。他の条件が同じなら、その時間を2倍にすると、測定対象への応答は4倍になる。ごく小さな信号の測定では、長時間の観測がとりわけ重要となる。
同氏が次の段階として挙げたのは、原子波を数秒間にわたってコヒーレンスを保ったまま分割する軌道上の干渉計だ。コヒーレンスとは、再結合時に有用な測定結果が得られるよう、波同士の関係を保つことを指す。原子雲を7秒間観測した今回の成果は、その機能の開発に向けた出発点となる。
研究者らは、地球の重力分布の地図作りや、航法、人工衛星の軌道決定への応用を見込んでいる。氷や海流の移動は地球の質量分布を変えるため、重力の測定精度が向上すれば、氷河や海流の変化を捉えるのにも役立つ可能性がある。
量子実験のプラットフォーム
この光学システムは、原子を結晶に似た配置に保持するレーザー光のパターン、光格子にも対応できる。配置や相互作用を変えることで、研究者は制御された条件下における粒子集団の振る舞いを調べられる。
陳偉標氏は、量子相転移、多数の量子粒子が相互作用する系の振る舞い、基礎物理理論の検証を、研究対象となり得る分野として挙げた。プロジェクトは、初期宇宙に関するシミュレーション、超軽量暗黒物質の探索、ヒッグス模型に関連する研究も今後の方向性として示している。
これらは、それぞれ独自の設計と測定を必要とする将来の実験だ。当面の成果は、極めてゆっくり動く原子を供給し、それを調べるための長い時間を確保したことにある。研究者らは、宇宙空間での量子センサーや原子時計への応用も期待している。
中国有人宇宙計画の宇宙応用システム主任設計者で、宇宙応用工程・技術センター副主任を務める呂従民氏は、世界の研究者に施設を使った実験を呼びかけ、実験の機会を共有する考えを示した。申請の日程や、提案された後続実験の実施時期は発表されていない。
ケターレ氏は今回の成果について、「原子温度測定と精密測定を前進させる優れた出発点」と評した。原子系の温度測定である原子温度測定も、こうした実験の理解と改善に欠かせない要素となる。
要点
- 中国の宇宙ステーションのチームは、ルビジウム原子の雲を9.7ピコケルビン相当まで冷却し、膨張を7秒間観測したと報告した。
- 実験は実験モジュール「夢天」で行われ、2022年に打ち上げられた施設を使用した。
- 報告された温度は、ブレーメンで2021年に達成された38ピコケルビンと、2022年に国際宇宙ステーションで記録された52ピコケルビンを下回る。
- 冷却手順では、光トラップ、磁場勾配を補助に使う蒸発冷却、非断熱膨張を組み合わせた。
- 今後は量子シミュレーション、原子干渉計、重力測定、基礎物理の検証などへの応用が考えられる。
