「物質の第5の状態」が国際宇宙ステーションで生成される

「物質の第5の状態」であるボーズ＝アインシュタイン凝縮(Bose-Einstein condensation：BEC)が国際宇宙ステーション(ISS)で行われた実験で生成されました。今回の実験では、宇宙という微小重力環境におけるボーズ・アインシュタイン凝縮は、地球上のものとはさまざまな特性が異なるということが実証されました。

Observation of Bose–Einstein condensates in an Earth-orbiting research lab | Nature
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2346-1

Quantum matter orbits Earth
https://www.nature.com/articles/d41586-020-01653-6

Quantum 'fifth state of matter' observed in space for first time
https://phys.org/news/2020-06-quantum-state-space.html

ボース＝アインシュタイン凝縮(BEC)は、固体・気体・液体・プラズマに次ぐ「物質の第5の状態」とされるもので、「粒子の集団がある温度以下で突然最低値のエネルギー準位に落ち込む」という状態です。

BECが生じると、各原子の波動関数が互いに重なり始め、粒子系全体が同一の波動として振る舞うようになります。最終的な凝縮体では、個々の原子が1つの波動関数で表される巨視的な量子状態となり、コヒーレントに振る舞います。

BECは、1925年に物理学者のサティエンドラ・ボースとアルベルト・アインシュタインによってその存在が予言されていました。そして、予言から70年後となる1995年にコロラド大学とマサチューセッツ工科大学の研究チームがBECの実現に成功。BECの実現に成功した研究者らは、この実験によって2001年のノーベル物理学賞を受賞しています。

BEC状態を実現するためには、レーザー冷却によって数マイクロK(ケルビン)から数百ナノKという絶対零度に限りなく近い温度まで冷やした原子を磁気光学トラップなどで捕獲する必要があります。しかし、地上では重力が原子に影響を与えるため、BEC状態を正確に制御することが困難であるという問題がありました。

そのため1995年にBECを実現してノーベル賞を受賞した研究者3名を含む研究チームは、「重力が微弱な宇宙空間でBEC状態を実現する」という実験を提案。この提案を受け、2018年5月にはNASAがISSを使って、同年11月にはドイツの研究チームが気象観測ロケットを使って微小重力環境でのBECの実現を目指して実験を行っていました。

極小重力下で原子を「物質の第5の状態」において観察する実験が実施される - GIGAZINE

そして2020年6月11日、ISS内で実験を行っていたNASAの研究チームが、微小重力環境においてBECを実現したという論文を発表しました。この論文で、研究チームは微小重力環境のBECは地上環境のものとさまざまな特性が異なっており、一例では自由膨張時間(磁気光学トラップをオフにして原子が自然に浮遊している時間)が地上環境では数十ミリ秒であるのに対して、微小重力環境では1秒を超えたと報告しています。自由膨張時間は、長くなればなるほど観測時間が増えて測定精度が高くなるため、BECに関する研究において非常に重要な要素です。

加えて、微小重力環境では地上環境に比べて弱い力で原子を捕獲できるため、さらに絶対零度に近づけることが可能だったとのこと。以上の理由から、微小重力環境ではより精度の高い観測が可能だと研究チームは報告しています。

研究チームを率いたデイビッド・アブリーヌ氏は、「微小重力環境におけるBECの研究は、一般相対性理論に関する実験や、宇宙船の航行や月などの惑星の地下鉱物の探査を目的としたダークマター・重力波の研究など、さまざまな研究に役立つ可能性があります」とコメントしています。