量子世界特有の「超量子乱流」を初観測、中性子星の内部解明や量子系共通の物理法則解明に期待

この記事のポイント

• ケンブリッジ大学が超低温カリウム原子を用いて「超量子乱流」を世界で初めて直接観測。
• 細長い線状の渦が絡み合って減衰する過程を撮影し、液体ヘリウムと酷似した挙動を確認。
• 量子システム全般に共通する基本法則の解明や、中性子星内部の現象解明への応用に期待。

極低温の量子気体で捉えた「超量子乱流」の姿

英国ケンブリッジ大学キャベンディッシュ研究所の研究チームは、超低温に冷却したカリウム原子を用いた実験により、量子世界特有の乱流現象である「超量子乱流」を世界で初めて捉えることに成功しました。この神秘的な流れは、細長い渦同士が複雑に絡み合うことで生じる現象です。研究チームは、極低温の液体ヘリウムから高密度な中性子星のコア（核）に至るまで、同様の超量子乱流現象が起きている可能性があると推測しています。本研究の成果は、学術誌『Physical Review Letters』に掲載されました。

一般的な乱流とは、カップの紅茶をかき混ぜた際に生じる不規則な渦のように、流体が攪乱された際に発生する無秩序な流れを指します。しかし、量子領域においては流体や気体は全く別の法則に従います。撹乱を受けた際、これらの流体や気体は全体としてはほぼ静止したように見えますが、再び平衡状態へ戻るまでの過渡期に、細長く互いに絡み合う線状の渦、すなわち「超量子乱流」に覆われます。

液体ヘリウムと共通するエネルギー流転の法則

研究チームは超量子乱流を観察するため、数千個のカリウム原子をレーザーと電磁場によって絶対零度近くまで冷却しました。この極限状態において、原子群は希薄な量子気体として振る舞います。

チームは大量の画像を撮影し、これらの渦がどのように絡み合い、分裂し、環状のループを形成して容器の端へと移動し、最終的に無秩序から秩序ある静寂へと向かうのか、その軌跡を追跡しました。その結果、この過程は以前に液体ヘリウムで観察された現象と極めて似ていることが判明しました。液体ヘリウムも量子流体の一種ですが、カリウムの量子気体と比べて密度がはるかに高く、原子間の相互作用も強力です。

2つの系は物理的特性が大きく異なるにもかかわらず、エネルギーが流転する順序は完全に一致していました。研究チームはこの結果から、これが広範な量子システムに共通する普遍的な挙動法則である可能性があると分析しています。

数十年にわたる理論モデルを裏付け、天体物理への応用も

ドイツ・ハイデルベルク大学のトーマス・ガセンツァー氏は、超量子乱流の数学的モデルは数十年前に提唱されていたものの、これまでは明確な観測データを得ることができなかったと指摘しています。今回の研究はそれらの理論モデルに強固な裏付けを与えるものであり、将来的には中性子星の高密度なコア内部における超量子乱流の探求にもつながると期待を寄せています。

また、英国イースト・アングリア大学のダヴィデ・プロメンテ氏は、今後複数の原子雲を同時に撮像できるようになれば、超量子乱流のさらなる詳細が解明される可能性があるとの見解を示しています。

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