「原理的にはできる」を超えるには

今回のエントリーですが、数日前にほぼ書き上げたところでパソコンがフリーズし、全部消えてしまいました。

なんとか気を取り直して、本題です。

今日は、パリティ、V0l. 25, N0.02 2010-02, p. 48, ニュースダイジェストから。以下、引用します。

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分子のレーザー冷却に向けて

原子のレーザー冷却によって、きわめて多くの極低温物理学の研究が可能になった。その一形態であるドップラー冷却という手法では、原子の共鳴よりわずかに低い周波数の光を、全方向から試料に照射する。原子の運動と逆向きの光子は、周波数がずれて原子と共鳴し吸収されて、原子の運動量は減少する。そして原子はランダムな方向に光を放ち、基底状態に戻る。このサイクルを何万回も繰り返すことで、試料を1 mKよりも低い温度まで冷却することができる。しかし、これと同じ手法を分子に適用するのは難しい。回転や振動の自由度があるせいで、崩壊して落ち着く先のエネルギーの低い状態が多数存在しているためである。各状態を別のレーザーで励起するのは極めて困難だが、レーザーによって励起されたのではない状態に分子が集積できるようにすると、サイクルが止まり、冷却はそれで終わりになってしまう。
 だが、エール大学のデミル(David Demille)たちは、このジレンマの解決法を実際に示した。励起した準位からほぼいつでも振動準位に戻る分子はいくつかあるが、そのうちの1つ、一フッ化ストロンチウムを集束し、また量子力学の選択則を利用して分子が取りうる回転準位を制限することにより、研究者たちは2つのレーザーを使って、SrF分子1個あたり約150回の吸収-放出サイクルを達成した。彼らは、分子-レーザー相互作用時間の増大は、もともと速度の小さい分子の冷却を行うのに十分であり、そして第3のレーザーを加えれば試料全体を減速し冷却するのに必要なだけのサイクルが達成できるだろうと見積もっている。(E. S. Shuman et al., Phys. Rev. Lett. 103, 223001, 2009)
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原子や分子をレーザーで冷却するお話です。レーザーを当てて冷やすという意味が分からない方も多いかと思います。詳しい話は、例えばリンク先をご覧いただくとして、ここでは簡単に触れておきます。xyz軸の6方向から原子の共鳴周波数よりわずかに低い周波数を持つ6本のレーザーを原子に照射します。ドップラー効果によって、原子の運動方向に対向するレーザーの周波数が原子から見て若干大きくなり、共鳴に近づきます。原子はレーザーの伝搬方向に向かって力を受けますが、共鳴に近いレーザーほどこの力が大きくなるので、原子は運動方向に対向するレーザーからより大きな力を受け、減速します。原子がどの方向に動いても、それに対向する力をより強く受けるわけです。「原子の速度が遅くなる=冷却される」という意味なので、どんどん冷却が進んでいきます。その到達温度は1 mK(絶対零度より1/1000度だけ高い温度)以下であるとのです。

このレーザー冷却、どんな種類の原子や分子でも「原理的には」可能と言われています。しかし、現実的にはなかなか難しいのが実情でしょう。大きな問題のひとつをざっくりと述べると、原子・分子がエネルギー状態を2つしか取らなければ、その差に対応する周波数のレーザー光源を1つ用意して6本に分ければよいのですが、実際にはとりうるエネルギー状態が幾つもあって、その分だけレーザーが必要になってくるのです。光源2,3台であれば問題ないですが、10台となると相当頑張る必要があるし、100台だったらお手上げでしょう。そうは言っても100台あればできるわけですから、「原理的にはできる」という言い方になります。

特に分子はエネルギー状態の数が多いので難しいようですが、その解決策をある程度示したというのが本文の内容です。しかし、詳細はよくわからないので、こちらで勝手に話を進めます。どんな原子・分子でも、現実的な台数の光源でレーザー冷却が可能になったら凄いことだと思います。ノーベル賞もありうるでしょう。そもそも、レーザー冷却自体、原子の運動方向に対抗してレーザーを照射して、原子が止まったところでレーザーを切れば「原理的には」冷却できるけど、一体どうやって原子が止まったことを確認するんだ?という難題を、より現実的な手法で解決したというのが凄いのだと思います。今回の難題についても、なんとか「原理的に」から「現実的に」になるといいですね。

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バラッくま

Author:バラッくま
色々あったのち東京深川在住の科学技術系の研究者。
クマに似ている。最近はカピバラにも似ている。
専門: 量子エレクトロニクスなど。
休みのときは、(有休を取ってまでして)落語、スキューバダイビング、スポーツ観戦(相撲など。両国が近いのでうれしい。)、音楽鑑賞などを少しずつ。

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