近年、絶対零度付近の極低温気体が起こす「ボース・アインシュタイン凝縮（ＢＥＣ）注１)」や、それを構成する極低温気体についての研究が活発に行われています。
しかし、これまでの研究は、球体衝突による等方的な相互作用をする粒子が起こすＢＥＣが中心であり、ｐ波対称性注２)と呼ばれる非等方な粒子についての研究はあまりなされていません。ｐ波対称性はヘリウム３の超流動で観測される特異な性質と深く関わっており、この対称性を持つ気体分子やそのＢＥＣは、今まで知られていない性質や挙動を示す可能性があります。しかし、ｐ波対称性を持つ分子（ｐ波分子）は安定性が良くないため、分子の生成自体が困難でＢＥＣを起こさせるためのさまざまな性質も知られていませんでした。
本研究では、極低温リチウム原子の気体に高精度に制御した磁場を加え、フェッシュバッハ共鳴注３)を起こさせることによって従来生成が難しかったｐ波リチウム気体分子を作ることに成功しました。また、ＢＥＣを起こさせるために必要なデータ、分子の安定性を表す分子間の衝突現象を明らかにすることにも成功しました。
これらの成果は、今後のＢＥＣや超流動研究の加速に貢献するのみならず、新しいタイプの超流動の実現や、高温超伝導メカニズムの理解などに資するものと期待されます。
本研究成果は、２００８年９月５日（米国東部時間）発行の米国・物理科学専門誌「Physical Review Letters」に受理され、オンライン版で近日中に公開されます。
戦略的創造研究推進事業 ＥＲＡＴＯ型研究
| 研究プロジェクト | ： | 「上田マクロ量子制御プロジェクト」 |
| 研究総括 | ： | 上田 正仁（東京大学 大学院理学系研究科 教授） |
| 研究期間 | ： | 平成１７年９月～平成２３年３月 |
＜研究の背景と経緯＞
近年、原子や分子を絶対零度付近の極低温に冷却することにより、量子現象を肉眼で観察できるＢＥＣを起こして、量子現象の機構解明や新現象発見に用いようとする多くの試みがなされています。
ＢＥＣや粘性がゼロになる超流動現象は、ボース粒子注４)が極低温下で凝縮して起こす現象で、超流動はボース粒子であるヘリウム４の液体で最初に発見されました。その後、ヘリウム４の同位体であるヘリウム３の液体でも見いだされていますが、このヘリウム３原子はフェルミ粒子注５)であるため、２つのヘリウム３原子が「対注６)」を作ってボース粒子のように振る舞う結果、超流動現象を発現しています。波動関数が等方対称性を持つヘリウム４に対して、超流動のヘリウム３の「対」は非等方のｐ波対称性を持ち、特異な超流動（ｐ波超流動）など、多彩な量子現象が見られることが知られています。
極低温の冷却気体でも、このようにボース粒子の性質を持つ「対」を作ることで、フェルミ粒子を用いたＢＥＣも実現されるようになりましたが、これまでの研究では、主にフェルミ粒子間の相互作用が等方的な衝突である系について行われてきています。
そこで、フェルミ原子から「ｐ波対称性を持つ対」（ｐ波分子）を作り、その気体にＢＥＣを起こさせれば、ｐ波超流動の機構について理解が進むばかりでなく、ｐ波分子特有の新現象や効果が発見されるのではないかと期待されています。
＜研究の成果＞
本研究では、寿命が短いと言われているｐ波分子について、安定な分子生成と基本的性質の解明に成功しました。
ｐ波分子の生成にあたっては、ｐ波ＢＥＣの実現の可能性が最も高いと期待されているリチウム原子（6Li）を用いました。リチウム原子を極低温まで冷却し、フェッシュバッハ共鳴を起こすよう磁場をかけることで、ｐ波分子である6Li2分子を生成させました。フェッシュバッハ共鳴が起こる磁場は、幅が数１０mGと狭く、高精度の磁場制御が必要です。そこで、フィードバック回路の導入などの工夫により高安定の磁場を実現しました。さらに分子に変換されなかった原子が残っていると、分子密度が急激に減少してしまうため、原子のみに吸収される共鳴光を照射し、原子が光から運動エネルギーを得て飛び出していく機構を利用して未反応の残留原子を取り除きました。図１は生成したｐ波分子気体の像を示しています。ｐ波対称性を持つことは、使用した磁場の大きさや生成条件を変えた場合の観測結果などから確認しました。
生成したｐ波分子の気体は、その形状や数がｐ波分子間の相互作用により経過時間と共に変化します。この時間変化を観測することにより、分子の基本的な性質を知ることができます。図２は気体の温度が時間とともに振動しながら熱平衡に到る様子を示しています。この観測結果から弾性散乱を求めることができました。
また、図３は気体に含まれる原子の個数が時間とともに減衰する様子で、このグラフの傾きから非弾性散乱を求めることができます。これらの弾性散乱、非弾性散乱の値は、今回生成したｐ波分子気体をさらに冷却してＢＥＣを起こすために必要となる基本的なデータであり、ｐ波分子のＢＥＣ実現に大きく近づく成果です。
＜今後の展開＞
ｐ波分子は安定性に問題があり、今回生成したリチウムｐ波分子についても、ＢＥＣを起こすためにはさらに温度を下げる必要があります。今後は、本研究で測定した弾性・非弾性散乱レートをもとに、不安定なｐ波分子の寿命を延ばす方法や冷却速度を速める工夫をすることで、リチウムｐ波分子を用いたＢＥＣや超流動を実現することが期待されます。またこれらの現象の観測は、ＢＥＣや超流動、超伝導の研究の更なる発展に貢献するものと思われます。
＜参考図＞
図１ ｐ波分子気体の影
図２ 気体の振動
図３ 分子数の減少
なお、青線は分子にならなかった原子を除去しなかった場合の実験結果であり、原子との衝突によって急速にｐ波分子が減少していく様子が分かります。本研究では、この未反応原子を取り除くことによってｐ波分子の減少を抑えています。
＜用語解説＞
注１）ボース・アインシュタイン凝縮（ＢＥＣ）
レーザー光を使った冷却技術などを駆使して気体を絶対零度付近まで冷却すると、全く同じ状態を取るようになったマクロ(巨視的)な数の粒子の波が重なりあって、あたかも１つの巨大な波のように振る舞う特異な現象です。量子力学的な現象を肉眼で観測できる非常に珍しい現象で、超流動や超伝導など極低温下で起こる現象と深く関連していることが知られています。
注２）ｐ波対称性
軌道角運動量がh/2π（hはプランク定数）の場合の波動関数が示す空間対称性で、空間の方向によって異なる性質を示す非等方性を持ちます。超流動を起こすヘリウム３原子対も、この対称性を持っています。
注３）フェッシュバッハ共鳴
２つの原子の衝突の際に中間状態として現れる共鳴状態で、磁場をかけることによって実現させることができます。
この中間状態においては原子の束縛状態が形成されており、フェルミ粒子である２つの原子が束縛状態になると、ボース粒子の性質を持つようになります。
注４）ボース粒子
量子力学的な自由度を示すスピンの値が1,2,3,,と整数の値をとり、同じ1粒子状態に複数の粒子が存在できる粒子。ＢＥＣはボース粒子が極低温で起こす特異な現象で、超流動や超伝導に深く関わっています。
注５）フェルミ粒子
スピンの値が1/2,3/2,5/2,,の値をとる粒子で、同じ１粒子状態に複数の粒子は存在できません。電子、陽子、中性子などはフェルミ粒子です。
注６）対
２つのフェルミ粒子が相互作用によって対を作ると、合計のスピンが整数値をとるようになり、ボース粒子と同様な性質を持つようになります。超伝導では、２個の電子がクーパー対と呼ばれる対を組んでいます。
＜論文名＞
“Collisional Properties of p-Wave Feshbach Molecules”
（ｐ波フェッシュバッハ分子の散乱特性）
doi: 10.1103/PhysRevLett.101.100401
＜お問い合わせ先＞
東京大学 大学院理学系研究科 教授
（科学技術振興機構 上田マクロ量子制御プロジェクト 研究総括）
〒113-8656 東京都文京区弥生２-１１-１６ 東京大学工学部９号館 ３１３号室
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E-mail:
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