【テクノロジー解説】原子たちが「声をそろえて歌う」新しい物質の状態:絶対零度より0.00000002度だけ高い温度で、約2,000個の原子が1つになった。アインシュタインの予言から70年(2001年ノーベル物理学賞)

プレ男物質の状態って、固体・液体・気体の3つだよね?

メル美原子がみんなで「声をそろえて歌う」、新しい状態があるんだって。

こんにちは、Dr. Taro です。 「テクノロジー解説」、今回はボース・アインシュタイン凝縮です。2001年のノーベル物理学賞の発表と一般向け解説をもとにまとめました。

レーザーの光のように、原子をそろえる

• レーザーの光は、ふつうの電球の光とちがって、光の粒がみんな同じエネルギーで、そろってふるえています
• 物質も、そんなふうにそろえてコントロールできないか。これは研究者たちの長年の挑戦でした
• 2001年の受賞者たちは、原子に「声をそろえて歌わせる」ことに成功し、新しい物質の状態「ボース・アインシュタイン凝縮(BEC)」をつくりだしました

1924年の予言

• 1924年、インドの物理学者ボースは、光の粒について大切な計算をし、その結果をアインシュタインに送りました
• アインシュタインはこの理論をある種類の原子に広げ、とても低い温度まで冷やすと、すべての原子が急に、いちばん低いエネルギーの状態に集まると予言しました
• 気体から液体のしずくができるようすに似ているので「凝縮」とよばれます

プレ男アインシュタインの予言が、70年後に実現したのか!

1995年、70年ごしの実現

• エリック・コーネル博士とカール・ワイマン博士のグループは、1995年6月、ルビジウムの原子で、はじめて凝縮を実現しました
• 約2,000個のルビジウム原子の純粋な凝縮を、20ナノケルビン、つまり絶対零度よりわずか0.00000002度高い温度でつくりました
• レーザーで原子を冷やし、さらに磁場のわなに移して、熱い原子を逃がして冷やす方法(蒸発冷却)などを組みあわせました

原子どうしの「波のもよう」

• ヴォルフガング・ケターレ博士は、別にナトリウムの原子で実験し、より多くの原子の凝縮をつくりました
• 2つの凝縮を広げて重ねると、池に石を2つ投げたときのような、はっきりした波の干渉もようがあらわれました。凝縮の原子が完全にそろっていることを示しています
• 重力で落ちていく小さな凝縮のしずくの流れもつくりました。光のかわりに物質を使ったレーザーの原型といえます

これからの期待

• 物質をこのように「コントロール」する技術は、精密な測定やナノテクノロジーなどで、画期的な応用をもたらすと期待されています(2001年当時)

ボース・アインシュタイン凝縮は、原子をとても低い温度まで冷やすと、すべての原子がそろって1つの波のようにふるまう、新しい物質の状態です。1924年の予言から70年後の1995年に実現しました。

つながるテクノロジー

• 光の粒がそろう:レーザー
• 量子の世界のふしぎ:「量子力学」ってなに?
• 精密な測定:光周波数コム

プレ男原子の合唱団、聞いてみたいな。

メル美絶対零度より0.00000002度だけ高いなんて、想像できない冷たさだね。

1個の原子や光の粒をこわさずに操る技術は、1個の原子、1個の光の粒を「こわさずに」見るへ。

原子をレーザーで冷やす技術は、レーザーの光で原子を「冷やす」へ。

まとめ

• ボース・アインシュタイン凝縮:原子がそろって1つの波のようにふるまう新しい物質の状態
• 1924年、ボースとアインシュタインが予言
• 1995年、コーネル博士とワイマン博士がルビジウム約2,000個で実現(20ナノケルビン)
• ケターレ博士はナトリウムで、干渉もようや「物質のレーザー」の原型を示した
• 精密な測定やナノテクノロジーへの期待(2001年ノーベル物理学賞)

参考文献

1. The Royal Swedish Academy of Sciences. Press release: The Nobel Prize in Physics 2001. NobelPrize.org. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2001/press-release/ (閲覧日:2026年10月10日)
2. NobelPrize.org. The Nobel Prize in Physics 2001 — Popular information. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2001/popular-information/ (閲覧日:2026年10月10日)

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