今日の画像に注釈してある数字は、超低温でのリチウム原子の雲の偽色彩画像を示しています。ライス大学の物理学者が作りました。

　リチウムは、２つの安定した同位元素を持っています。１つは、リチウム７というボソン粒子です。もうひとつは、リチウム６のフェルミ粒子です。

　ボソン粒子とフェルミ粒子は、自然で見つかる基本的な種類の２つの量子の粒子です。

　リチウム種は、多くの点で非常に類似しています。例えば、電子の同じ構成を含んで化学的に一致させます。

　しかし、低温の環境では、劇的な違いがリチウムの間に生じます。それは、基本的に異なる２つの種類の粒子で構成しているという事実から生じます。

　ライス大学の研究者は、同じ雲の中に２つのリチウム種を一緒に閉じ込めて、交替しながら変化する写真をとりました。

　それでわかったのが、リチウム７のボソン粒子がフェルミ粒子のリチウム６を低温へと冷却する促進作用をしていることでした。

Credit & Copyright: Andrew Truscott & Randall Hulet (Rice U.)

Credit & Copyright: Andrew Truscott & Randall Hulet (Rice U.)

　原子の雲は、３つの異なる温度で示されます。810、510、240のナノ・ケルビンです。1ナノケルビンは、とても冷えた温度で、絶対零度より１０億分の１程度上で、マイナス２７３.１５度Ｃ近辺です。

　温度がとても冷たくなることで、左で示しているボソン粒子気体が小型の雲に合体しました。その一方で、右で示しているフェルミ粒子気体は、特定の大きさで安定しました。

　このことは、フェルミ粒子が更に他の同一のフェルミ粒子と同時に、同じ空間を占有することのないように量子力学の排他原理の法則が働いていることになります。そして、排他原理の法則で縮合することができない「フェルミ変質」の原理の例として示しました。

　白色矮星でも同じ作用として、矮星の崩壊を防ぐために矮星自身の重力の引き付ける力で安定させる働きをしています。

　フェルミ粒子の反集合性質は、低温にいたるまで冷やすことを難しくしていました。

　しかし、ライス大学の研究者は、「共鳴」という巧妙な手段を使って冷却しました。その方法では、１つの種が他の種を冷やす冷却剤の働きをします。

　この場合は、ボソン粒子がフェルミ粒子を接触によって冷やすという冷凍庫的な働きをしました。

　その働きの具体例が今日の画像になりました。

　研究者は、磁場で最初に２つの種類の粒子を閉じ込めました。

　「蒸発冷却」として知られている過程で、最も熱くて最も精力的な粒子は、閉じ込められているところから逃げ出すように飛び出します。

　そして、とても冷えた穏やかな粒子だけが残ります。この粒子は、気体によって更に全体的に冷めた温度へと作用することになります。

　「冷却蒸発」過程については、私たちがいつも何気なく行っています。

　例えば、飲食での熱いものを冷ますために息を吹きかけることです。その時に、息を吹きかけることで熱い蒸気の分子は逃げます。というか、飛ばされます。

　飲食物は、その結果として全体的に温度を下げてそれまでよりも冷めた液体分子を残したものになっています。

　蒸発冷却は、ボソン粒子にとっては重要ですが、同時にフェルミ粒子にとっても作用することになります。

　粒子が絶えず互いに衝撃を与えているとき、蒸発冷却は効果的に効くだけです。

　粒子がお互いと衝突するとき、それらの粒子はエネルギーの再配分をします。

　衝突で、最も緩やかな粒子でさえ、結局は、閉じ込めからから逃げるのに十分なエネルギーを得ることができます。

　それを見るもう一つの方法は、エネルギーが衝突によって閉じ込めから逃げることができるということです。

　しかし、フェルミ粒子は衝突に抵抗する傾向があります。他方、ボソン粒子には、衝突に対するそのような反感的な抵抗がありません。

　閉じ込められているボソン粒子は、フェルミ粒子と衝突して互いに粒子のエネルギーを再配分しあうことになります。そして、より冷たいフェルミ粒子だけが閉じ込めに残るように、閉じ込めに残る粒子よりも熱くて高エネルギーのフェルミ粒子が発生します。

　このことは、ライス大学の研究者がフェルミ粒子で低温を成し遂げたことで認めることができます。

　フェルミ粒子の雲の大きさを確定した温度以下で縮小することができなかったけれども、研究者はさらに気体を冷やそうと努力しています。

　各々のフェルミ粒子は、小さい棒磁石を含むと想像することができます。磁石の強度とその他の特徴は、「回転」と呼ばれている特性によって示されます。

　研究者は、回転の２つの異なる値を伴っているフェルミ粒子を作ろうとしています。そして、それまでに達している温度以下にいたるまで気体を冷やそうとしています。それは、２つの異なる回転の値でフェルミ粒子が、一緒になって対になる「クーパー・ペア」として知られているものを作るためのものです。

　クーパー・ペアは、電気が抵抗なしで伝わることができる物質である超伝導体の基本的な成分です。

　気体をシンプルに組む際にこれらのクーパー・ペアを研究することは、超電導の性質に対する新しい洞察を起こします。

　研究者は、この研究がいつの日にか電気をより効率的に給電できる方法につながることを望んでいます。超伝導体は、潜在的に社会にとって非常に重要です。

　物理学者は、固体の超伝導体でこの応用を想像します。しかし、超電導は完全に理解されていません。

　さらに、固体の超伝導体は、しばしば不純物の原子または結晶構造の欠陥を含むので分析するのが難しいことです。

　気体で研究できる超伝導のクーパー・ペアは、理論的に非常に分析しやすいものになります。

　それに加えて、原子の閉じ込めの構成で研究者は、粒子の間で相互作用の強さを修正することができます。どこにでも魅力的に弱く、反対に魅力的に強いフェルミ粒子にできます。

　これは、低温金属超伝導体の理論であるBCS理論に対する洞察をさらに促進することができます。

　大部分の超伝導体は、弱く相互に作用しているクーパー・ペアを含むと思われます。しかし、最近発見されたマグネシウム・ホウ化物の超伝導体は、金属での記録的な高温で超伝導になりました。そして、他の金属による超伝導体より強く相互に作用しているクーパー・ペアを含んでいるようです。

　この画像は、白色矮星のＮＧＣ２４４０です。

　白色矮星は、蝶のようにその前に自身を囲んでいた繭を放出することによって新しく始まります。

　このことを私たちの太陽に当てはめるならば、太陽はまだ毛虫の段階です。その後で気体を放出する殻は、とても見事なものになることでしょう。

　この画像のＮＧＣ２４４０は、恒星星雲でよく知られているとても熱い白色矮星のひとつです。

　星雲の源の白色矮星は、画像の中央近くで明るい点のようなものとみなすことができます。

　ところで、私たちの太陽は後どのくらいでこのような美しい星雲に変身するのでしょうか？天文科学者は、５０億年かもっと後に「白色矮星の蝶」になると予想しています。

　(もっとも千年紀までも長生きした科学者はいませんでしょうし、億年はなおでしょう。現在の科学者が推測した予想の言葉も、どうやら極近い世紀の将来までしか持ちそうもありません。過言すれば、言いたい放題、私のコメントと同じですね。)

　この画像は、原画に疑似彩色して加工処理したものです。

Credit: H. Bond (STScI), R. Ciardullo (PSU), WFPC2, HST, NASA

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