Quantum gas goes below absolute zero

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量子物理学の奇妙な点により、ガスの温度が絶対零度以下に達する可能性があります。

地獄が凍るよりも可能性が低いと思われるかもしれませんが、物理学者は初めて、絶対零度以下の温度を持つ原子ガスを作りました1。 この技術は、負のケルビン物質や新しい量子デバイスの生成への扉を開くものであり、宇宙論の謎を解くのにも役立つかもしれません。 その後、物理学者たちは、気体の絶対温度はその粒子の平均エネルギーと関係があることに気づきました。 しかし、1950 年代になると、よりエキゾチックな系を扱う物理学者たちは、これが常に正しいとは限らないことに気づき始めた。 通常、ほとんどの粒子のエネルギーは平均かそれに近く、高いエネルギーで飛び回る粒子はごくわずかです。 理論的には、もし状況が逆で、より多くの粒子が低エネルギーではなく高エネルギーであれば、プロットはひっくり返り、温度の符号は絶対温度の正から負に変わると、ドイツ、ミュンヘンのルートヴィヒ・マキシミリアン大学の物理学者であるウルリッヒ シュナイダー氏は説明します。 レーザーと磁場を用いて、個々の原子を格子状に配列させた。 正温では原子が反発し合い、安定な配置になる。 そこで研究チームは、磁場を素早く調整し、原子が反発し合うのではなく、引き合うようにした。 「原子が反応する前に、最も安定でエネルギーの低い状態から、可能な限りエネルギーの高い状態へと、突然シフトさせるのです」とシュナイダー教授は言う。 「谷を歩いていたのに、一瞬で山頂に着いたようなものです」

正温では、このような反転は不安定で、原子は内側に倒れてしまうでしょう。 しかし研究チームは、捕捉レーザー場を調整し、原子がその位置に留まることがエネルギー的に有利になるようにした。 9011>

ケンブリッジにあるマサチューセッツ工科大学の物理学者でノーベル賞受賞者のウォルフガング・ケッターレは、以前に磁気系で負の絶対温度を実証しており2、今回の研究を「実験の力作」と呼んでいます。 正の温度では実験室で生成するのが難しいエキゾチックな高エネルギー状態が、負の絶対温度では安定になる。「まるでピラミッドを逆さに立てても倒れる心配がないかのように」、このような技術によって、これらの状態を詳細に研究することが可能になるのだ。 「これは、実験室で新しい形の物質を作り出す方法かもしれません」とKetterle教授は付け加える。

シュナイダー教授と彼のチームが使用した技術を提案したドイツのケルン大学の理論物理学者Achim Rosch氏は、このような系が構築されれば、奇妙な挙動を示すだろうと言う3。 たとえば、Rosch 氏らは、原子の雲は通常重力によって下に引っ張られるのに対し、雲の一部が負の絶対温度である場合、一部の原子は明らかに重力に逆らって上に移動すると計算しています4。

また、絶対零度以下の気体の特異性として、重力による内向きの引っ張りに対して宇宙を加速度的に拡張させる謎の力「ダークエネルギー」に類似しているということがあります。 シュナイダー教授は、研究チームが生成したガス中の魅力的な原子も内側に倒れ込もうとするが、負の絶対温度によって安定化するため、そうならないことを指摘している。 「このような奇妙な特徴が宇宙や研究室で見られるのは興味深いことです。 「これは、宇宙論者がもっと詳しく調べるべきことかもしれません」

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