フェルミ凝縮とは｜超流動相の定義・生成法と2003年ジンの実験

フェルミ凝縮の基礎と超流動相の生成法を、Deborah Jinの2003年カリウム40実験とともにわかりやすく解説する入門記事。

フェルミ縮合体（フェルミ縮合体）とは、ボーズ-アインシュタイン縮合体に非常によく似た物質（超流動相）の状態のことである。超流動体はまた、ボーズ-アインシュタイン凝縮物です。

唯一の違いは、ボーズ-アインシュタイン凝縮体はボソンで構成されており、お互いに社会的である（グループ、または塊で）ということです。フェルミ凝縮は反社会的である（お互いに全く引き合わない）。これは人為的に行わなければならない。

この状態は、2003年12月にDeborah Jin氏とそのグループによってなされたものである。Jinはコロラド大学の国立標準技術研究所に勤務していた。彼女のチームは、カリウム-40原子の雲を絶対零度（-273.15℃、これは物理的な温度の仮想的な下限）を100万分の1以下にまで冷却することで、この物質の状態を作り出しました。これは、物質をボース-アインシュタイン凝縮物に冷却するのに必要な温度と同じである。気体を冷却して凝縮物にすることを凝縮という。

定義と基本原理

フェルミ凝縮は、フェルミ粒子（スピン1/2などのフェルミオン）を主体とする系で、適切な相互作用が与えられたときに形成される超流動的・凝縮的な状態を指します。重要な点は以下のとおりです。

• フェルミ統計とパウリ排他原理：フェルミオンは同じ一粒子状態を同時に占めることができません（パウリの排他原理）。そのため、単独のフェルミオンだけではボース-アインシュタイン凝縮（多くの粒子が同じ最低エネルギー状態を占める現象）は起こりません。
• 対形成（ペア化）によるボソン化：しかし、2つのフェルミオンが相互作用により結びついて対（例えばクーパー対や分子）を作ると、その対は整数スピン（ボース粒子）として振る舞います。これらの複合粒子が多数形成されると、ボース凝縮が起こり得ます。これが「フェルミ凝縮」の本質です。
• 超流動性との関係：フェルミ対が凝縮すると流れに対して摩擦がほとんどない超流動状態が現れます。超伝導は電子のクーパー対による同様の現象で、フェルミ凝縮は中性原子系での類似現象と考えられます。

生成方法（実験手法の概要）

超低温原子実験でフェルミ凝縮を作るには、次の手法が一般的です。

• レーザー冷却と磁気／光学トラップ：まずレーザー冷却や磁気トラップで原子を捕捉・冷却します。
• 蒸発冷却（エバポラティブ冷却）：トラップから高エネルギー成分を取り除いて系をさらに冷却し、マイクロケルビン〜ナノケルビン領域に到達させます。
• 相互作用の制御（フェッシュバック共鳴など）：原子間相互作用を外部磁場で連続的に制御できるフェッシュバック共鳴を用いることで、引力的な相互作用を導入しフェルミ対を形成させます。これにより、弱い結合のBCS型対から強結合の分子型対までを連続的に調べることができます（BCS–BECクロスオーバー）。
• 検出法：時間発展後の時間飛行（time-of-flight）イメージングで運動量分布を調べ、凝縮成分の存在や超流動特性（異方的膨張、二峰性分布など）を観測します。

2003年ジンの実験（概要と意義）

2003年のDeborah Jinらの実験は、フェルミ系原子ガスにおける対の凝縮（フェルミ縮合）を実験的に示した重要な成果でした。主なポイントは：

• 対象はカリウム-40というフェルミオン原子で、冷却により非常に低温（マイクロ〜ナノケルビン領域）に到達させた。
• フェッシュバック共鳴を用いて原子間の相互作用を調節し、フェルミオン同士が対を形成するようにした。
• 対が形成されると、それらは複合的にボソンとして振る舞い、凝縮に至ることが確認された（写真測定や運動量分布の変化で検出）。
• この実験はBCS超伝導とボース凝縮の連続的つながり（BCS–BECクロスオーバー）を調べる出발点となり、超伝導体の基礎理解や量子多体系のシミュレーションに大きな影響を与えた。

観測される特徴と実験的指標

• 時間飛行像に見られる二峰性（凝縮成分と熱雲の区別）
• 異方的な膨張や相関関数の変化（超流動の証拠）
• 分光測定や相関測定によるギャップ（対の結合エネルギー）や臨界温度の決定

応用と関連分野

フェルミ凝縮の研究は、以下の分野と関連します：

• 超伝導の理論的理解（電子のクーパー対との比較）
• 量子多体系のモデル実験（量子シミュレーション）
• 核物理や中性子星内部などの高密度フェルミ系の理解への示唆

まとめ

フェルミ凝縮は、フェルミ粒子が対を作ることで実質的にボソンとして振る舞い、凝縮・超流動を示す現象です。2003年のDeborah Jinらによる実験は、この現象を冷却原子系で実証し、BCS–BECクロスオーバーの実験的研究を可能にしました。以後の研究で、相互作用の制御や高精度な観測技術により、フェルミ系の量子相転移や相関現象が精密に調べられ続けています。

フェルミオンとボソンの違い

ボソンとフェルミオンは素粒子（原子よりも小さい物質）です。ボソンとフェルミオンの違いは、原子の電子、中性子、陽子の数である。偶数の電子を持つ原子はボソンで構成されています。奇数個の電子、中性子、陽子を持つ原子は、フェルミオンで構成されています。ボソンの例としては、グルオンがあります。フェルミオンの例としては、デボラ・ジンがガス雲として使ったカリウム-40があります。ボソンは塊を形成することができ、お互いに引き合うのに対し、フェルミオンは塊を形成しません。フェルミオンはお互いに反発し合うので、通常はまっすぐな糸で結ばれています。これは、フェルミオンが同じ量子状態では集まらないというパウリ排除原理に従うからである。

これは素粒子の標準モデルで、通常は単に標準モデルと呼ばれています。

超伝導とフェルミオン凝縮

もう一つの関連する現象に超伝導があります。超電導では、対になった電子は粘度0で流れることができます。超電導は、より安価でクリーンな電力源となる可能性があるため、かなりの関心が寄せられています。また、超電導は、浮上する列車やホバーカーの動力源としても利用される可能性があります。

しかし、それは科学者が室温で超伝導体である物質を作るか、発見することができなければ実現できません。実際、室温の超伝導体を作ることに成功した人にはノーベル賞が授与されます。現在の問題は、科学者たちが-135 °C前後の温度で超伝導体を作らなければならないことです。これには液体窒素などを使って極低温にする必要があります。もちろんこれは面倒な作業であり、だからこそ科学者たちは常温の超伝導体を使うことを好むのです。ジンさんのチームは、対になった電子を対になったフェルミオンに置き換えることで、室温の超伝導体ができると考えている。

超伝導。これがマイスナー効果です。

質問と回答

Q: フェルミオン凝縮とは何ですか?

Q: フェルミ凝縮はボーズ・アインシュタイン凝縮とどう違うのですか?

Q:フェルミ凝縮は自然にできるのですか?

Q: 最初にフェルミ凝縮を作ったのは誰ですか?

Q: 最初のフェルミ凝縮が作られた時の温度は?

Q: 気体を冷やして凝縮させる過程を何というか?

Q: 超流動体もボーズ-アインシュタイン凝縮体なのですか?

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