ボース-アインシュタイン凝縮:究極の量子状態
ボース-アインシュタイン凝縮(BEC)は、ボソンが極低温で示す驚くべき量子現象です。巨視的な数の粒子が最低エネルギー状態に「凝縮」し、量子力学的な効果が肉眼で観測できるスケールで現れます。1995年の実験的実現はノーベル賞に輝きました。
凝縮の条件
理想ボソン気体において、有限温度で励起状態に収容できる粒子数には上限があります。
温度 で励起状態()にいる粒子数は
ここで は状態密度です。3次元では で、この積分は有限値に収束します。
化学ポテンシャル は負(ただし )
温度を下げると に近づく
で励起状態に入れる粒子数が最大
残りは基底状態に凝縮
臨界温度
励起状態に入れる最大粒子数が全粒子数 に等しくなる温度を臨界温度 と呼びます。
ここで は数密度、 はリーマンのゼータ関数です。
すべての粒子が励起状態に分布。通常の気体的振る舞い。
基底状態に有限割合の粒子が凝縮。凝縮相が出現。
凝縮分率
では、基底状態の粒子数は
で与えられます。 では全粒子が基底状態に凝縮します。
凝縮分率
凝縮分率
実験的実現
BEC を実現するには非常に低い温度が必要です。
| ルビジウム87原子 | nK |
| ナトリウム原子 | μK |
| 水素原子 | μK |
1995年、コーネルとワイマン(ルビジウム)、ケターレ(ナトリウム)がそれぞれ独立に希薄原子気体でのBECを実現しました。レーザー冷却と蒸発冷却を組み合わせて、ナノケルビンの温度を達成したのです。
ボース統計を質量をもつ粒子に適用し、低温での凝縮を理論的に予測。
液体ヘリウム4が2.17 K以下で超流動を示すことが発見。BECとの関連が議論される。
コーネル、ワイマン、ケターレが希薄原子気体でBECを実現。2001年ノーベル物理学賞。
BECの性質
凝縮状態の粒子は同じ量子状態を占め、単一の波動関数で記述されます。
凝縮体全体が一つの巨視的波動関数 で記述される。干渉実験で波動性が直接観測できる。
粘性なく流れる性質。渦は量子化される。
液体ヘリウム4の超流動もBECに関連していますが、強い相互作用のため理想気体のBECとは異なる面もあります。希薄原子気体では相互作用が弱く、理論との比較が精密に行えます。
BECは「巨視的な量子状態」という、直感に反する概念を目に見える形で示してくれます。現在では原子レーザー、量子シミュレーション、精密測定など、多くの応用研究が進んでいます。量子力学が日常スケールで顔を出す、極めて興味深い現象です。