11月6日のITハウスニュース、今日の新華社によると、中国科学院の宇宙応用工学技術センターは、蒙天カプセル超低温原子物理学実験キャビネットを利用し、全光トラップ冷却技術を使用してルビジウム原子雲の等価温度を室温より14桁低い9.7ピコケルビンまで下げ、7秒間の安定した観測を達成し、人類が知る最低温度の新記録を樹立したとのこと。
IT House 注: ピケルビンは、温度の非常に小さな単位です。 1 ピコケルビンはケルビン (1 pK = 10⁻¹² K) の 1 兆分の 1 に等しく、絶対零度 (0 K、摂氏マイナス 273.15 度) は熱力学で許容される温度の下限であり、これは限りなく近づくことはできますが、到達することはできません。
9.7 ピコケルビンということは、ルビジウム原子の雲の温度が絶対零度よりわずか約 100 億分の 1 度だけ高いことを意味します。これまでの記録は、2021年にドイツの科学研究チームによって樹立された。当時、ルビジウム原子雲は原子チップ磁気トラップ溶液に基づいて38ペケルビンまで冷却され、自由膨張時間は約2秒であった。
中国チームの結果では、この数値が約 4 分の 1 に減少し、観測ウィンドウが 7 秒に延長され、極低温での弱い物理信号を捕捉するための十分な時間が確保されました。
この実験は、地上の限界を突破する鍵となる微小重力環境で完了しました。地上では、重力により原子雲が急速に落下します。サスペンションを維持するには、より強力な結合フィールドを適用する必要があります。結合場自体が追加のエネルギーを導入し、その結果、温度のさらなる低下が制限されます。地上で同様の実験を行った場合、安定した観測時間は通常わずか0.05秒程度です。宇宙ステーションの微小重力条件では、原子雲がほぼ自由に浮遊できるため、最小限の光学的制約のみで深冷却が可能になります。
中国チームが選択した技術的ルートは全光トラップ冷却であり、国際的な同僚が一般的に使用している原子チップ磁気トラップソリューションとは異なります。全光トラップは、集束レーザービームを使用してポテンシャル井戸を構築します。ポテンシャル井戸は磁場干渉の影響を受けず、その後の光格子実験に適応でき、より強力な拡張機能を備えています。
実験システム自体は、高度に統合されたエンジニアリングの成果です。地上実験装置は当初、面積約20立方メートル、重さ10トンでした。研究者らはそれを0.7立方メートル、重さ約500キログラムに圧縮し、宇宙ステーションの実験キャビネットに設置した。これには、超高真空の取得、高出力ファイバーレーザー、精密な光学的位置合わせなど、さまざまな側面における技術研究が含まれていました。直径わずか数十ミクロンの原子雲に20本以上のレーザービームを集束させる必要があります。位置合わせの誤差は髪の毛の直径の約10分の1である5ミクロン以内に抑えられています。また、航空宇宙グレードの高集積、低消費電力、信頼性の要件も満たしています。実験キャビネットは、蒙天カプセルとともに 2022 年に軌道上に打ち上げられました。プロジェクトが実証され、軌道上で成果が得られるまでには約 15 年かかりました。
絶対零度に近い条件下では、ルビジウム原子雲がボース・アインシュタイン凝縮に入り、元々無秩序で熱的に移動する原子が巨視的な量子挙動を示します。
論文の要約によれば、今回調製した凝縮体には約 2.0×104 個の原子が含まれており、等価温度の不確かさの範囲は 9.7 (+3.2/-2.7) ピケルビンであることが示されています。全光トラップを用いて微小重力環境下で量子縮退ガスを実現するのは初めてである。より低い温度とより長い自由進化時間は、極低温量子気体の相転移、非平衡動力学、多体相関などの基本的な問題を研究するための、地上で再現するのが難しい実験プラットフォームを提供します。また、初期宇宙シミュレーションや超軽量暗黒物質検出などの最先端の方向性の促進にも役立ちます。
アプリケーションレベルでは、超低温原子を使用して、より高精度の原子干渉計、量子センサー、時空周波数ベンチマークを開発し、重力場測定、慣性航法、基本的な物理定数のテストに使用できます。
関連論文「宇宙における10ピケルビン以下の量子ガス」が本日、国際学術誌「サイエンス」に掲載された。 『サイエンス』の書評者は、この研究は超低温膨張の分野における現在の最高レベルを表しているとコメントした。
