ボース＝アインシュタイン凝縮（BEC）とは何か

形成と理論

整数スピンをもつ粒子、すなわちボース粒子だけが、同じ単一粒子量子状態を占有して直接BECを形成できる。凝縮への転移は、温度と粒子密度によって駆動される量子相転移の一種である。粒子の熱ド・ブロイ波長が粒子間隔に匹敵すると、個々の波動関数が重なり合い、基底状態に巨視的な占有が現れる。これには非常に低いエネルギーが必要で、系はひとつのコヒーレントな物質波として記述される。BECの解析には、凝縮分率、コヒーレンス長、集団励起モードなどの概念が用いられる。

実験的実現

ボース＝アインシュタイン凝縮の可能性は、1920年代にサティエンドラ・ナート・ボースとアルベルト・アインシュタインによって予言された。実験室でのBECは1995年、エリック・コーネルとカール・ワイマンが率いるチームによってルビジウム原子を用いて初めて実現され、後にヴォルフガング・ケッテルレが重要な貢献を行った。これらの進展は2001年のノーベル物理学賞で評価された。BECの生成には、レーザー冷却、磁気光学トラップ、磁気または光学双極子トラップ、蒸発冷却などの段階的な冷却・捕捉技術が通常用いられ、量子縮退に到達する。

性質

凝縮体は巨視的量子現象を示す。多くの粒子が同じ量子状態を占めると、系は高いコヒーレンスを持ち、超流動性、量子化された渦、集団振動、非常に低い有効粘性を示すことがある。「ゼロ粘性」という表現は、いくつかの超流動的振る舞いを説明するために使われるが、実験的性質は相互作用、閉じ込め、温度に依存する。原子BECは、ヘリウムのような液体に比べると通常きわめて希薄であり、多くの領域では平均場理論でよく記述される。

関連する系と比較

• BECと超流動ヘリウム: 超流動ヘリウムは密度が高く強く相互作用する液体であるのに対し、原子BECは弱い相互作用をもつ希薄気体である。どちらも超流動現象を示すが、微視的な詳細は異なる。
• フェルミ粒子と対形成: フェルミ粒子は同じ単一粒子状態を占有できないが、対を組んだフェルミ粒子（クーパー対）やフェルミ原子の束縛分子はボース粒子のように振る舞い凝縮できる。これが超低温気体で研究されるBEC–BCSクロスオーバーにつながる。
• 物質波干渉: 巨視的コヒーレンスにより、凝縮体どうしの干渉を直接観測でき、その波動的性質が示される。

応用と研究用途

BECは、量子力学を比較的扱いやすい長さスケールと時間スケールで研究するための多用途な基盤である。基礎的な多体系物理、量子渦、ソリトン、非平衡ダイナミクスの研究に用いられる。凝縮体に基づく実用的応用や実験技術には、精密計測のための原子干渉法、凝縮系モデルの量子シミュレーション、しばしば「原子レーザー」と呼ばれるコヒーレント原子源の開発が含まれる。現在も、可変な相互作用、低次元凝縮体、異なる原子種の混合系が研究されている。

さらに読む

• 希薄気体実験
• 絶対零度と超低温物理
• 温度尺度（0 K）
• 摂氏の零点
• 華氏の零点
• 低エネルギー量子状態
• ボース粒子と統計
• 相転移
• 物理学におけるゼロの概念
• 粘性と流れ
• 超流動性と関連現象