世界量子デー｜その通りです！レーザーは本当に粒子を冷却できるのです！

中学校の物理の授業で、物理の先生は、私たちが生活の中で接触する物質は通常、分子または原子で構成されており、原子は物質の化学的性質を維持する最小単位であると教えてくれました。たとえば、遊園地で売られているヘリウム風船に入っているヘリウムは、ヘリウム原子で構成された単原子分子です。このとき、風船内のヘリウムは完全に静止しているように見えますが、内部のヘリウム原子は常に一定の「熱運動」状態にあり、周囲の温度が上昇するにつれて、これらの微小粒子の熱運動速度は増加し続けます。

信じられないかもしれませんが、このヘリウム気球はモヘの最も低い温度（-53℃、約220K）に置かれても、内部のヘリウム原子は時速120キロメートル以上の高速ランダム熱運動を続けています。言い換えれば、これらの微粒子の熱運動速度は高速道路上の自動車の速度に匹敵するのです。

したがって、科学者が単一の原子を正確に制御したい場合、まず原子を絶対零度（約 -273.15°C、または 0 K）に近いレベルまで冷却する必要があります。この方法でのみ、原子を可能な限り静止状態に保つことができます。では、超高速で運動している原子を、このような低温限界まで冷却するにはどうすればいいのでしょうか?

答えはレーザーです!正しく読みました。より正確な用語は「レーザードップラー冷却」です。

01光は実際に原子の軌道を曲げることができるのでしょうか？ ——素晴らしい光子散乱相互作用

従来の印象では、光子（光の基本的な「粒子」）は非常に高速で移動し、非常に弱いエネルギーを運びます。したがって、質量の大きい原子と比較すると、光子がそれらと相互作用してエネルギーを交換することは非常に困難であると思われます。これは、アリが鉛のボールを振ろうとするようなものです。

実際、1933 年に物理学者のオットー・フリッシュが初めてナトリウム蒸気ランプから放出される光を利用して、ナトリウム原子のビームの軌道を偏向させることに成功しました。原子ビームの軌道の偏向はわずか1mm程度であったが、光子が原子とエネルギーを伝達できることを強力に証明した。しかし、原子の軌道を偏向させるこの実験を完了するのは容易ではありません。そのためには、放出された光子が原子と十分に強い散乱相互作用を持つ必要があります。

原子と光子の相互作用の模式図（ライブラリの著作権画像、転載は著作権紛争を引き起こす可能性があります）

簡単に言えば、各原子は内部に不均一で特定の「エネルギー ラダー」、つまりエネルギー レベル構造を持ち、異なるエネルギー レベル間にも特定のエネルギー差があります。この原子がちょうど の周波数を持つ光子に遭遇すると、ためらうことなく光子を「食べ尽くし」、自身のエネルギーレベルの遷移を完了します。 「貪欲」の代償として、原子は光子を吸収する過程で起こる衝突により、本来の運動速度を変えてしまいます。さらに興味深いのは、この「貪欲な」原子は「消化不良」の症状に陥りやすく、同じ周波数の新しい光子をあらゆる方向にランダムに「吐き出し」、元のエネルギーレベルを回復することです。実際、原子物理学の研究では、原子内部で起こる上記のプロセスには、より専門的な名前、「自発放射」が付けられています。

原子の「自発放射」の模式図

（画像出典：著者描き下ろし）

この原子が、同じ入射方向を持つ複数の周波数の光子に連続して遭遇すると、この「自発放射」サイクルが継続的に繰り返されます。時間が経つにつれて、この原子がランダムに新しい光子をさまざまな方向に「吐き出す」たびに受ける反作用の力は、平均するとほぼ相殺されます。つまり、複数のサイクルを完了した後、原子全体が感じる衝突力は、同じ方向に光子の束を複数回「食べる」プロセスから生じる累積的な衝突力のみになります。この継続的な相互作用力は、原子の軌道を逸らすのに十分です。

20 世紀初頭、物理学者は、より高いエネルギー密度のレーザー光線を得ることができなかったため、原子の軌道を偏向させる実験しか行うことができませんでした。 1970 年代、レーザー技術が急速に発展するにつれ、物理学者たちは高速で移動する原子の速度を落とすことを期待して、レーザー光線を使って原子と相互作用させようとし始めました。

02 原子を光子の沼に落とす-光学粘着性

しかし、非常に速い初期速度を持つ原子に、向かってくる光子をうまく「食べる」ことは、簡単なことではありません。これは、この瞬間の原子から見ると、「ドップラー効果」により、向かってくる光子の周波数が高くなるため、この光子を「食べる」ことができず（自身のエネルギーレベルの差と矛盾するため）、つまり「自発放射」サイクルがスムーズに完了できないためです。

原子は光子をより高い周波数として感知する

（画像出典：著者描き下ろし）

実は、ここで言及されている「ドップラー効果」は私たちにとって馴染みのないものではありません。例えば、パトカーがサイレンを鳴らしながら近づいてくると、サイレンの音程がどんどん高くなっていく、つまり私たちの耳に届く音波の周波数がだんだん高くなっていくように感じます。そして、パトカーがサイレンを鳴らしながら走り去ると、サイレンの音もそれに応じてどんどん低くなります。つまり、私たちが聞く音波の周波数が徐々に低下しているのです。波源と観測者が相対的に動くと観測者が感じる放射周波数が変化するという現象は、1842 年にオーストリアの物理学者クリスチャン・ドップラーによって初めて提唱されたため、「ドップラー効果」と呼ばれています。

「ドップラー効果」の模式図（画像はライブラリの著作権で保護されており、転載や使用は著作権侵害となる可能性があります）

したがって、初期速度が非常に速いこの原子が、正確に の周波数の光子を「食べ尽くす」場合、前述の「ドップラー効果」を考慮すると、「自発放射」サイクルを正常に完了するには、近づいてくる光子自体の周波数が よりもわずかに小さくなる必要があります。このように、「原子-光子」間の継続的な散乱相互作用により、もともと高速で動いていた原子は光子の遮断により速度が低下します。

このドップラー冷却方式にヒントを得て、1982年にアメリカ国立標準技術研究所（NIST）のウィリアム・フィリップス氏のチームは、もともと一定方向に動いていたナトリウム原子の速度を、平均熱運動速度の時速3,600キロメートルから時速約144キロメートルにまで下げることに初めて成功しました（熱力学統計の速度分布関係によれば、ナトリウム原子は約70mK、つまり0.07Kまで冷却されました）。

ある方向の原子を減速させるには、単一方向の動きだけを考慮すればよいのですが、原子クラスター全体を冷却するには、3次元空間の前後、上下、左右の6方向で同時に減速させる必要があります。これには、反対方向に伝搬するレーザー ビームの 3 組が同時に動作する必要があります。 1985年、米国ベル研究所のスティーブン・チューのチームは、3対の反対方向に伝播するレーザー光線を使用してナトリウム原子の雲を照射し、3対のレーザーの交差点でナトリウム原子の雲を冷却することに成功しました。このとき、原子クラスターの温度はドップラー冷却の限界温度（約0.00024 K）まで低くなっており、原子クラスターのこの特殊な状態は「光糖蜜」とも呼ばれています。

この「光スティッキング」技術は原子クラスターを効率的に冷却できますが、理論上は原子クラスターの動きを妨害することしかできず（光子の沼に原子を閉じ込めることに似ています）、原子クラスターを実際に閉じ込めることはできません（原子クラスターの寿命は数秒のオーダーでしか安定しません）。これは、原子クラスターを3次元空間に長時間安定して閉じ込めるためには、レーザーの交差点を指す空間内でのもう一つの追加的な相互作用が必要であることを意味します。

03磁気光学トラップ：光学粘着物質と静磁場の完璧な組み合わせ

1987 年、チューのグループは MIT のプリチャードのグループと共同で、光学的接着と空間的に勾配分布を持つ静磁場を組み合わせた方式を実験的に使用し、原子クラスターの冷却と捕捉に成功しました。勾配静磁場と光接着を組み合わせたこの原子トラップは、「磁気光学トラップ（MOT） 」とも呼ばれます。

「磁気光学トラップ」の概略図（ライブラリの著作権画像、転載や使用は著作権紛争を引き起こす可能性があります）

具体的には、磁気光学トラップ内の 3 対の反対方向に伝搬するレーザー ビームの交差点の磁場はゼロであり、ポテンシャル井戸の中心にある原子クラスターの平均散乱もゼロです。 3次元空間における静磁場の勾配分布を精密に制御することで、ポテンシャル井戸の端にある原子は磁場の逆方向の力によって拘束され、外側に逃げ出さなくなります。

つまり、磁気光学トラップは、一方では光接着を利用して原子を静め、他方では勾配磁場を利用して原子クラスターをポテンシャル井戸の中心に押し込むことで、原子クラスターに対する「冷却＋トラッピング」効果の組み合わせを実現します。

磁気光トラップ技術の発明により、物理学者は微小粒子の長期的かつ安定した閉じ込めを実現できるようになり、微小粒子の精密制御が可能になり、量子情報技術の発展が促進されます。チュー氏とウィリアム・フィリップス氏は、レーザー冷却と原子閉じ込めに対する優れた貢献により、1997年のノーベル物理学賞の3分の2を共同受賞しました。

結論

しかし、ドップラー冷却後の原子の速度はまだゼロではなく、「ドップラー温度限界」とも呼ばれる独自の温度限界があります。これは、原子の場合、複数の自発放射における反跳効果は平均化されるものの、原子は常に光子と自発放射を吸収しているため、原子はランダムウォーク状態になり、完全に停止することができないからです。

一般的に、ドップラー冷却後、原子自体の温度限界は数百 μK (マイクロケルビン) のオーダーになります。原子の冷却限界をさらに下げるためには、完全なドップラー冷却に加えて、より強力な「サブドップラー冷却」を導入する必要があります。

では、物理学者はどのように想像力を駆使して、実験で原子の温度をμK 、さらにはnK（ナノケルビン）レベルまで下げることに成功したのでしょうか?次の記事では、「サブドップラー冷却」の謎を一緒に探ってみましょう！

参考文献

[1] (Otto Frisch) Frisch R. Experimenteller nachweis des Einsteinschen strahlungsrückstoβes[J]。 『物理学の時代』、1933 年、86(1-2): 42-48。

[2] Phillips WD、Metcalf H. 原子ビームのレーザー減速[J]。フィジカルレビューレターズ、1982年、48(9):596-599。

Prodan J、Phillips WD、Metcalf H. 非常に低速な単一エネルギー原子ビームのレーザー生成[J]。フィジカルレビューレターズ、1982年、49(16):1149-1153。

[3] (Zhu Diwen) Chu S、Hollberg L、Bjorkholm J、他。共鳴放射圧による原子の3次元粘性閉じ込めと冷却[J]。フィジカルレビューレターズ、1985年、55(1):48-51。

[4] (プリチャード: MOT) ラーブ EL、プレンティス M、ケーブル A、他。放射線圧による中性ナトリウム原子の捕捉[J]。フィジカルレビューレターズ、1987年、59(23):2631-2634。

[5] （サブドップラー冷却）Lett PD、Watts RN、Westbrook CI、et al.ドップラー限界以下にレーザー冷却された原子の観測[J]。フィジカルレビューレターズ、1988年、61(2):169-172。

著者: ルアン・チュンヤン博士、清華大学物理学科

査読者: 羅慧謙、中国科学院物理研究所研究員

制作：中国科学普及協会

制作：中国科学技術出版社、中国科学技術出版社（北京）デジタルメディア株式会社