フェルミ粒子は物質を構成する要素であり、多様な組み合わせで相互作用して周期表の元素を生み出します。フェルミ粒子がなければ、物理的な世界は存在しません。
フェルミ粒子の例には、電子、陽子、中性子、クォーク、そしてこれらの素粒子を奇数個含む原子があります。フェルミ粒子としての性質ゆえに、電子や原子核物質を理論的に理解するのは困難です。そのため研究者たちは、他のフェルミ粒子の代わりとして、フェルミ原子の極低温気体を用いることを試みています。
しかし、原子は光にきわめて敏感です。単一の光子が原子に当たると、粒子をその位置から弾き出すことがあります。この作用のため、個々のフェルミ原子を撮像することは非常に困難でした。
今回、MITの物理学者チームは、最大1,000個の個々のフェルミ原子を見ることができる顕微鏡を開発しました。研究者たちは、レーザーを使った手法を考案し、フェルミ粒子をその場に捕捉して静止させながら、粒子を同時に撮像しました。
新しい撮像手法では、光格子中のフェルミ原子の雲に2本のレーザー光を照射します。波長の異なる2本の光が雲を冷却し、個々のフェルミ粒子をエネルギー準位から一段下げ、最終的に最も低いエネルギー状態へと導きます。十分に冷たく安定した状態になるため、粒子はその場にとどまります。同時に、各フェルミ粒子が光を放出し、顕微鏡がこれを捉えて、光格子内のフェルミ粒子の正確な位置を撮像します。その精度は光の波長を上回ります。
この新しい手法により、研究者たちはカリウムガスの雲を構成するフェルミ原子の95％超を冷却して撮像できます。MITの物理学教授マーティン・ツヴィアラインは、この手法の興味深い結果として、撮像後もフェルミ粒子を低温に保てるようだと述べています。
「つまり、粒子がどこにあるかが分かり、小さなピンセットで好きな場所へ動かしたり、好きなパターンに並べたりできるかもしれません」とツヴィアラインは述べています。
ツヴィアラインと、筆頭著者で大学院生のローレンス・チューを含む同僚たちは、本日、研究成果を学術誌 『フィジカル・レビュー・レターズ』に発表しました。
ボース粒子からフェルミ粒子を見る
過去20年間、実験物理学者たちは、フェルミ粒子とボース粒子という2種類の粒子の極低温原子気体を研究してきました。ボース粒子は光子などの粒子で、フェルミ粒子とは異なり、無制限の数が同じ量子状態を占めることができます。2009年、ハーバード大学の物理学者マルクス・グライナーは、間隔を詰めて配置した光格子内の個々のボース粒子の撮像に成功する顕微鏡を開発しました。2010年には、マックス・プランク量子光学研究所のイマヌエル・ブロッホのグループが開発した、2台目のボース粒子顕微鏡がこれに続きました。
これらの顕微鏡は、強い相互作用のもとでのボース粒子の振る舞いを、かつてない詳細さで明らかにしました。しかし、フェルミ原子を対象とする同等の顕微鏡は、まだ誰も開発していませんでした。
「これらのグループがボース粒子で行ったことを、フェルミ粒子で実現したいと思っていました」とツヴィアラインは述べます。「ところが、私たちが使う原子はそれほど簡単には冷えないため、フェルミ粒子でははるかに難しいことが分かりました。そこで、観察しながら冷却する新しい方法を見つける必要がありました。」
原子を絶対零度にさらに近づけて冷却する技術は、ここ数十年で考案されてきました。カール・ウィーマン、エリック・コーネル、そしてMITのヴォルフガング・ケターレは、1995年にボース＝アインシュタイン凝縮を実現しました。この業績により、3人は2001年のノーベル物理学賞を受賞しました。ほかの技術には、レーザーを使って原子を摂氏300度から絶対零度より数万分の数度高い温度まで冷やす方法があります。
巧みな冷却手法
それでも、個々のフェルミ原子を見るには、粒子をさらに冷却する必要があります。そのため、ツヴィアラインのグループはレーザー光で光格子を作り、卵パックに似た構造を形成しました。それぞれのくぼみには、フェルミ粒子を1個捕捉できる可能性があります。レーザー冷却、磁気トラップ、さらに気体の蒸発冷却を何段階か経て、原子を絶対零度よりわずかに高い温度まで冷却しました。個々のフェルミ粒子が光格子上に落ち着くのに十分な低温です。チームは格子を撮像レンズからわずか7マイクロメートルの位置に置き、そのレンズを通して個々のフェルミ粒子を見ることを目指しました。
しかし、フェルミ粒子を見るには光を当てる必要があります。その光子によって、フェルミ原子は実質的にくぼみから弾き出され、場合によっては系の外へ押し出されてしまいます。
「原子を観察しながら低温に保つには、巧みな手法が必要でした」とツヴィアラインは述べています。
彼のチームは、原子をさらに冷却するため、2本のレーザーを使う方法を採用しました。この手法は、原子の特定のエネルギー準位、つまり振動エネルギーを操作します。各原子は一定のエネルギー状態にあり、その状態が高いほど粒子の活動性は高くなります。チームは、周波数の異なる2本のレーザー光を格子に照射しました。周波数の差は、フェルミ粒子のエネルギー準位間のエネルギー差に対応しています。その結果、2本の光をフェルミ粒子に同時に向けると、粒子は低い方の周波数を吸収し、高い方の周波数の光から光子を放出します。これにより、エネルギー準位が一段下がり、より低温で活動性の低い状態になります。格子の上にあるレンズは放出された光子を集め、その正確な位置、ひいてはフェルミ粒子の位置を記録します。
ツヴィアラインは、1,000個を超えるフェルミ原子を同時に高解像度で撮像できれば、自然界にある他のフェルミ粒子、特に電子の振る舞いへの理解が深まると述べています。この知識は将来、損失のないエネルギー輸送を可能にする高温超伝導体や、固体システム、原子核物質などの量子系への理解を進める可能性があります。
「フェルミ気体顕微鏡は、原子を自在に配置する能力とともに、フェルミ粒子に基づく量子コンピューターの実現に向けた重要な一歩となるかもしれません」とツヴィアラインは述べています。「そうすれば、これまで電子系の理解を妨げてきた、まさに同じ複雑な量子法則の力を活用できるでしょう。」
ツヴィアラインによると、フェルミ気体顕微鏡の研究者たちにとって、今は好機です。彼のグループが初めて研究成果を報告したのとほぼ同じ時期に、ハーバード大学とグラスゴーのストラスクライド大学のチームも、光格子内の個々のフェルミ原子の撮像を報告しました。これは、こうした顕微鏡の将来性を示しています。
トリニティ・カレッジの物理学教授ゾラン・ハジビッチは、このグループの顕微鏡は個々の原子を「ほぼ完全な忠実度で」検出できると述べています。
「原子を確実に検出でき、位置にも影響を与えません。それが望むすべてです」と、今回の研究に参加していないハジビッチは述べています。「これまでに示されたのはこの手法ですが、ボース粒子での経験から、それが最も難しい段階だと分かっています。今後、科学的成果が次々と出てくると期待しています。」
この研究は、全米科学財団、空軍科学研究局、海軍研究局、陸軍研究局、デイビッド・アンド・ルシール・パッカード財団から一部資金提供を受けました。
この記事は、 MITニュースとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムによる見解への賛同を意味するものではありません。
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著者：ジェニファー・チューはMITニュースのライターです。
画像：顕微鏡を使う研究者。ロイター／レジス・デュヴィニョー。
