2万個の原子雲が新たな記録を樹立
中国の研究者らは、天宮宇宙ステーション内で約2万個のルビジウム原子を、絶対零度を9.7ピコケルビン、すなわち1兆分の9.7度上回る温度にまで冷却した。チームは放出後、広がっていく原子雲を7秒間追跡し、量子物理学を研究し、重力を精密に測定するための時間を延ばした。
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この成果は「Quantum gases below 10 picokelvin in space」と題する論文で説明されており、2026年11月5日に「Science」誌でオンライン公開された。2021年にドイツの実験で報告された従来の記録、38ピコケルビンを下回る。国際宇宙ステーションに搭載されたNASAの「コールド・アトム・ラボ」は、これまでに52ピコケルビンを達成していた。
中国科学院は、研究チームによる記録だとして、成果を原子冷却に関する発表で紹介した。北京大学、上海光学精密機械研究所、中国科学院の宇宙利用技術・工学センターの研究者らが、天宮の実験モジュール「夢天」内で実験を行った。
中心推定値には、7.0〜12.9ピコケルビンの不確実性幅がある。研究者らは、放出後に原子雲が広がる速さから温度を算出した。この温度が示すのは原子雲の膨張運動であり、ラックや宇宙船、周辺機器ははるかに高い温度で動作していた。
7秒は短く聞こえるかもしれないが、通常の実験室では放出した原子はすぐに視界から外れてしまう。天宮の環境では、原子雲が装置に対して浮遊しながらゆっくりと広がるため、地上では追跡が難しい挙動を測定する時間が得られた。
9.7ピコケルビンとは
絶対零度は0ケルビンで、摂氏マイナス273.15度に相当する。ケルビン温度はこの下限から始まるため、極めて低い温度の比較に適している。1ピコケルビンは1兆分の1ケルビンだ。
報告された9.7ピコケルビンは、有効温度、つまり換算温度である。研究者らは広がる原子雲を二つの方向から撮影し、3次元で広がる速さを測定したうえで、その運動に伴うエネルギーを温度として表した。広がる速度が遅いほど、換算温度は低くなる。
ビッグバンの名残である微弱な放射の温度は約2.7ケルビンだ。この値を9.7兆分の1ケルビンで割ると約2800億となる。原子雲が宇宙背景放射より約2800億倍低温だと表現されるのはこのためだ。
従来の記録である38ピコケルビンは、新たな中心推定値の約3.9倍に当たる。両実験では異なるトラップや冷却手順が使われているため、数値の比較は概算だ。天宮での結果は、まだ独立に再現されていない。
原子が一つの波のように振る舞い始める仕組み
研究者らは、ルビジウム元素の特定の同位体であるルビジウム87を、ボース・アインシュタイン凝縮体にした。しばしば物質の第5の状態と呼ばれるこの状態は、多数の原子が同じ量子状態を占め、集団として振る舞うときに現れる。
サティエンドラ・ナート・ボースとアルベルト・アインシュタインは、1920年代にこの現象の理論的基礎を築いた。希薄な原子気体でボース・アインシュタイン凝縮体が初めて作られたのは1995年だ。現在、この凝縮体を使うことで、画像化できるほど多数の原子集団にわたる量子の振る舞いを調べられる。
量子力学では、物質は粒子としての性質だけでなく波としての性質も持つとされる。凝縮体では、こうした波の性質が原子雲全体でそろう。研究者らは、互いに関係のない何千もの原子の動きを追跡する代わりに、共有された物質波を操作できる。
光と制御された原子の逃がし方で冷却
天宮での実験は約200万個のルビジウム原子から始まった。交差するレーザー光線で光双極子トラップを形成し、原子をその場に閉じ込めた。レーザー出力を下げてトラップを弱めると、エネルギーの高い原子が逃げ出せるようになる。
この手法は蒸発冷却と呼ばれる。エネルギーの高い分子が蒸発によって外へ出ると飲み物が冷えるのと、大まかな原理は同じだ。残った粒子の平均エネルギーは低くなる。
実験では最終冷却段階の前に、約3ナノケルビンで約2万個の原子が得られた。中間段階のより詳細な数値では、原子数は約2万3000個、温度は3.1ナノケルビンで、その約89％が凝縮体の共有量子状態を占めていた。これらは最終的な膨張測定より前の準備段階の数値だ。
微小重力環境には独自の難しさもあった。地上では重力によって、エネルギーの高い原子をトラップ内の逃げ道へ導きやすい。装置に対する下向きの力がないと、蒸発冷却の効率は下がる。研究者らは、位置によって変化する磁場である弱い磁場勾配を加え、エネルギーの高い原子を取り除きやすくした。
残った原子雲は、より広く弱い光トラップへ移された。最終手順では約1.175秒かけて閉じ込めを弱め、トラップの変化によって原子雲の運動を変える非断熱膨張も行った。放出後、原子は9.7ピコケルビンに相当するエネルギーで広がった。
軌道上で7秒間の観測が可能になる理由
天宮にも地球の重力は作用している。無重力のように見えるのは、ステーションが地球の周囲を自由落下し続けているためだ。ステーションも装置も原子も一緒に落下しており、科学者らはこの環境を微小重力と呼ぶ。
地上では、ごく弱いトラップでは重力に逆らって原子を閉じ込めるのが難しい。閉じ込めを強めれば原子を中に保ちやすくなるが、最終冷却は難しくなる。軌道上では原子雲を実験空間に保ったまま、トラップをさらに弱めることができる。
マサチューセッツ工科大学（MIT）の物理学教授で、2001年のノーベル賞受賞者であるヴォルフガング・ケターレ氏は、地上で7秒間観測する場合の実務的な問題について、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、地面に衝突してしまう
有効な比較は装置によって異なる。研究者らによると、一般的な地上実験では放出した原子雲を約0.05秒間観測できる。以前の落下塔を使った実験では、約2秒間の自由膨張を実現した。したがって、天宮での7秒間は一般的な実験室の約140倍、以前の落下塔での観測時間の3.5倍に当たる。
2021年にブレーメン大学で行われた記録実験では、落下塔を使って一時的な無重量状態を作り出した。軌道上では実験が塔の底に到達することなく地球の周囲を落下し続けるため、この機会をより長く活用できる。
キャビネットほどの大きさに収まる実験室
冷却原子物理学ラックの容積は約0.7立方メートル、重量は約500キログラムだ。地上用の装置は容積が約20立方メートル、重量は約10トンだった。宇宙用の装置は、容積で約29分の1、質量で約20分の1に小型化されている。
ラックにはレーザー、精密光学機器、超高真空システム、自動制御装置が組み込まれている。真空にすることで、周囲の気体粒子が超低温の原子と衝突するのを防ぐ。制御装置は、原子雲の準備と放出に必要な精密なタイミングの手順を維持する。
上海光学精密機械研究所の研究者、李唐氏は、20本を超えるレーザー光線の位置合わせについて説明した。光線は幅が数十マイクロメートルしかない原子雲で交差させる必要があり、誤差は5マイクロメートル以内に抑えなければならなかった。1マイクロメートルは1ミリメートルの1000分の1だ。
装置は打ち上げに耐え、宇宙船の電力制限内で稼働し、軌道上でも精度を保つ必要があった。初期の実現可能性調査から論文発表に至るまで、開発には約15年を要した。
- 2011年：宇宙施設の初期評価が始まった。
- 2021年：ブレーメンの落下塔を使った実験で、従来の記録となる38ピコケルビンを達成。
- 2022年：中国の実験施設が実験モジュール「夢天」とともに打ち上げられた。
- 2026年11月5日：天宮の研究チームの論文が「Science」誌でオンライン公開された。
観測時間の延長は重力測定の精度向上につながる可能性
この実験から恩恵を受ける可能性がある装置の一つが、原子干渉計だ。原子の物質波を異なる経路に分けた後、再び合流させる。その過程で蓄積した差が干渉信号となり、ごく小さな加速度や重力の影響を明らかにできる。
以前の温度記録を達成したチームを率いる、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、こうした測定に必要な要素の組み合わせについて次のように述べた。
原子干渉計の性能は、多数の原子を含む超低温集団と、長い観測時間を実現する原子源によって大きく高まる
ラゼル氏は、原子が干渉計内にとどまる時間の2乗に比例して感度が高まると説明した。そのため、測定時間を延ばすことは、時間を同じ割合だけ増やす以上に大きな向上をもたらす可能性がある。
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りコヒーレントに分離した状態で保つ、軌道上の干渉計だ。コヒーレンスとは、再び合流したときに有用な信号を生み出すために必要な波の関係が保たれていることを指す。原子雲を7秒間観測できたことは、その能力の開発に向けた出発点となる。
こうした装置は、地球の重力場の変化を測定したり、宇宙船の運動測定の精度を高めたりできる可能性がある。また、異なる種類の原子がどのように落下するかを比較し、アインシュタインの一般相対性理論の基礎である等価原理を検証することもできる。この原理は、ほかの力を取り除けば、質量や組成にかかわらず物体は重力の下で同じように落下するというものだ。
レーザートラップが広げる量子実験の可能性
天宮のチームは、過去の記録実験で使われた原子チップ磁気トラップではなく、光トラップを採用した。光で原子を閉じ込めれば、磁気トラップに伴う制約の一部を減らし、より複雑なレーザー配置を設ける余地が生まれる。
その配置の一つとして考えられるのが光学格子だ。交差するレーザー光線で、結晶に似た規則的な構造に原子を保持する周期パターンを作る。研究者らは構造を変化させ、原子同士の相互作用を制御できる。
この手法は量子シミュレーションに役立つ。制御しやすい量子系を使って、直接研究するのが難しい別の系を調べる手法だ。複雑な物質内の相互作用を一つひとつ計算する代わりに、原子でモデルを作り、その挙動を観察できる。
中国科学院は、暗黒物質モデルの研究も今後の方向性として挙げている。仮説上の超軽量粒子の影響を高感度の量子測定で探る提案などがある。重力マッピング、航法、量子シミュレーション、暗黒物質の探索はいずれも、今後の開発で想定される用途だ。
次の課題は実用的な装置の実現
論文の共同筆頭著者である北京大学の研究者、熊偉氏と金聖傑氏は、観測時間の延長によって、より弱い物理現象を検出できる可能性が高まると説明している。原子雲を低温に保ち、観測可能にすることは、精密な操作も必要とする実験の土台となる。
温度に加え、原子数も重要だ。約2万個の原子雲は集団的な量子の振る舞いを調べるのに有用だが、多くの精密測定では、さらに大きな試料が望ましい。より大きな原子雲、極めて遅い膨張、長く続くコヒーレンスを、施設でどの程度安定して両立できるかは、今後明らかにする必要がある。
光学システムには、トラップの強さ、レーザーの配置、磁場勾配、放出のタイミングなど、調整できる手段が複数ある。これらの制御を信頼性の高い測定装置へと発展させるには、実験を繰り返し、外乱を慎重に測定する必要がある。
ケターレ氏はこの成果を「原子温度測定と精密測定を発展させるための、優れた出発点」と評した。今回の具体的な前進は、軌道上で稼働する実験システムの中で、ゆっくり広がる原子雲を7秒間測定できたことだ。
要点
- 天宮の研究者らは、原子の換算温度が9.7ピコケルビンに達したと報告した。不確実性幅は7.0〜12.9ピコケルビン。
- ボース・アインシュタイン凝縮体として準備した約2万個のルビジウム原子の膨張から、この結果を得た。
- 従来の報告記録は、落下塔を使ったドイツの実験で達成された38ピコケルビン。
- チームは微小重力環境で、自由膨張する原子雲を7秒間観測した。
- 施設は2011年に始まった開発を経て、2022年に「夢天」とともに打ち上げられた。
- 今後の研究では、原子干渉計、重力測定、量子シミュレーション、基礎物理学の検証が進む可能性がある。
