新たな形態の物質を作り出し、その振る舞いを制御することは、科学研究において非常に活発な分野です。
新たな研究により、レーザー光を使って極低温原子を成形する方法が明らかになりました。
原子を絶対零度（-273°C）に近い温度まで冷却すると、科学者は通常なら不可能な物理現象を探究できます。
原子を思いどおりに動かすのは簡単ではありません。しかし、それは物理学における数多くの画期的な研究の核心にあります。
新たな形態の物質を作り出し、その振る舞いを制御することは、とりわけ関心を集める活発な研究分野です。私たちの新しい研究は、『フィジカル・レビュー・レターズ』に掲載され、レーザー光を使って極低温原子をさまざまな形に成形するまったく新しい方法を明らかにしました。
絶対零度（-273°C）に近い温度まで冷却された極低温原子は、通常なら不可能な物理現象を観察し、探究できるため、研究者から大きな関心を集めています。宇宙空間よりも低温のこの環境では、原子の集団は、固体、液体、気体とは異なる、ボース＝アインシュタイン凝縮体と呼ばれる新たな物質状態を形成します。ボース＝アインシュタイン凝縮体（BEC）です。2001年には、物理学者たちがこのような凝縮体を生成した功績によりノーベル賞を受賞しました。
BECの最大の特徴は、その原子が通常の予想とは大きく異なる振る舞いをすることです。原子は独立した粒子として振る舞うのではなく、すべて同じ（非常に低い）エネルギーを持ち、互いに協調しています。
これは、太陽から届く光子（光の粒子）とレーザー光中の光子の違いに似ています。太陽光の光子はさまざまな波長（エネルギー）を持ち、それぞれ独立して振動することがあります。一方、レーザー光中の光子はすべて同じ波長を持ち、同調して振動します。
この新たな物質状態では、原子は個々の粒子の集まりというより、ひとつの波のような構造として振る舞います。研究者たちは、異なる2つのBECの間に波のような干渉パターンが生じることを実証し、動く「BEC液滴」も作り出してきました。後者は、原子でできたレーザー光に相当するものと考えることができます。
動く液滴
同僚のゴードン・ロブ、ジャン＝ルカ・オッポと行った最新の研究では、特殊な形状のレーザービームを使ってBECの極低温原子を操作する方法を調べました。光で物体を動かすという発想は新しいものではありません。光が物体に当たると、ごく小さな力を及ぼすことがあります。この放射圧が、「ソーラーセイルという考え方の原理です。太陽光が大型ミラーに及ぼす力を利用し、宇宙船を宇宙空間で推進させることができます。
しかし、この研究では原子を「押す」だけでなく、原子を回転させることもできる特別な種類の光を使いました。いわば「光学レンチ」のようなものです。このレーザービームは点状ではなく、明るい輪（ドーナツ状）に見え、下の画像に示すように、ねじれた（らせん状の）波面を持っています。
適切な条件下で、このようなねじれた光を移動中のBECに照射すると、まずBEC中の原子が明るい輪に引き寄せられ、その周囲を回転します。原子が回転するにつれて、光と原子の両方が液滴を形成し始めます。その液滴はレーザービームの進行方向を中心に周回した後、輪から離れて外側へ放出されます。
液滴の数は、光のねじれの数の2倍になります。最初のレーザービームのねじれの数や向きを変えることで、形成される液滴の数と、その後の回転速度や方向を完全に制御できました（下の画像を参照）。原子の液滴が輪から逃げないようにして、より長く周回させることもでき、極低温原子の流れの一種を生み出しました。
極低温原子の流れ
極低温原子にねじれた光を照射するこの手法は、物質を制御し、さらに型破りで複雑な形に成形する新たな簡便な方法を開きます。
BECの最も有望な応用のひとつは、「アトムトロニクス回路」の生成です。これは、極低温原子の物質波を光学場や磁場、あるいはその両方で導き、操作して、トランジスタやダイオードなどの電子回路・電子デバイスに相当する高度なものを形成します。BECの形状を確実に操作できるようになれば、最終的にはアトムトロニクス回路の作製につながります。
ここでは「アトムトロニクス超伝導量子干渉計」のように振る舞う私たちの極低温原子は、従来の電子機器をはるかに上回るデバイスを実現する可能性を秘めています。通常は電流を構成する電子に比べ、中性原子では情報損失が少ないためです。また、デバイスの特性をより容易に変えられます。
しかし、最も期待されるのは、私たちの手法によって、通常の材料では設計が到底不可能な複雑なアトムトロニクス回路を作れる可能性があることです。これにより、微小な磁場を測定できる、高度に制御可能で容易に再構成できる量子センサーの設計に役立つかもしれません。そのようなセンサーは、役立つでしょう。基礎物理学の研究から、新素材の発見、脳からの信号の測定まで、幅広い分野で活用できます。
