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「凝縮体は多数の原子が一つの波動関数で表される巨視的な量子状態であり、コヒーレントに振る舞う」を学ぶ


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題名:「凝縮体は多数の原子が一つの波動関数で表される巨視的な量子状態であり、コヒーレントに振る舞う」を学ぶ
報告者: ダレナン

 表題(「」内は文献1)による)を見てすぐにその内容を理解できる人は、その道の科学者か、専門家、もしくは、その道に精通する物理学好きのアマチュアになるであろう。一般的でない言葉が非常に多く、興味のまったくない方ならば無視したい表題であるに違いない。しかしながら、実はこの表題は、世界を一変する可能性を秘めている。そこで、筆者の浅学を承知の上で、これを少しでも紐解くように学びたい。
 まず、予備知識としてYoutube2)(原子の波が見えてきた ~ボース・アインシュタイン凝縮の世界~)を見てもらえばよいであろうが、このYoutubeの表題が示すように、記事の凝縮体の凝縮とは、ボース・アインシュタイン凝縮(BEC)のことを指す。アインシュタインは、かの有名な物理学者のアルベルト・アインシュタイン博士であるが、ボースは、インドの物理学者で、サティエンドラ・ボース博士のことを指す。ボース博士が考えた理論をアインシュタイン博士が拡張し、BECが理論化された。BECとは、超電導との関わりも深い現象であり、簡単に言えば、超極低温下において原子は個々の個性を失い、あたかも1つの巨大な原子「スーパーアトム」のように振る舞う現象である3)。この説明で分かるように、「凝縮体」は「スーパーアトム」のことを示し、「巨大な」は、表題の「巨視的な」に匹敵する。アインシュタイン博士がこの凝縮を提唱したのは、1925年の論文によるが、論文発表当時はあくまで理論であったものの、1995年にコロラド大学のエリック・コーネル博士、カール・ワイマン博士、および、マサチューセッツ工科大学のヴォルフガング・ケターレ博士によって、これが実験で証明され、凝縮体が存在することが確認された。さらに、このボース・アインシュタイン凝縮が起きている超電導現象の背景はすでに、1957年にイリノイ大学のジョン・バーディーン博士、レオン・クーパー博士、ジョン・ロバート・シュリーファー博士によって理論的に証明され(BCS理論)、電子同士が引力によって生じる電子対(スピンが互いに逆向き、かつ、対の全運動量がゼロ)(クーパーペア)で明らかとなっている。この状態を図示する。すなわち、電子の振る舞いの対の大きさが一定に従い(コヒーレント長)、さらに、個々の電子などのミクロな存在ではなく、巨大な数の電子を



図 クーパーペア5)

含むマクロな超伝導体全体が、ただ一つの 量子状態にある波動関数を有する5)。したがって、これによって量子状態を人が意図するように「何か」を操れる。その「何か」の成果は、量子コンピューターであり、超新星爆発の類似である。これに基づき表題を言い換えると、「ボース・アインシュタイン凝縮による巨大な原子「スーパーアトム」は、波動が一致した量子のことを指し、目でも確認できる極低温状態での原子の特異的な状態であり、かつ、それらの振動は一定した特性を示す。これを巧みに応用し、詳細に解明することによって、量子コンピューターも実現でき、現在のコンピューターをはるかに超える演算処理を持つことで情報社会が革新され、凝縮体は超新星爆発をも類似されることから、宇宙の成り立ちも解明されるかもしれない」となる。

1) https://www.wikizero.com/ja/ボース=アインシュタイン凝縮#cite_note-davis1995-7 (閲覧2018.1.19)
2) https://www.youtube.com/watch?v=mJTWstWKhao&t=4s (閲覧2018.1.19)
3) コーネル,EA., ワイマン, CE.: ボース・アインシュタイン凝縮の実現. 別冊日経サイエンス 161: 108-116, 1998.
4) https://ja.wikipedia.org/wiki/BCS理論(閲覧2018.1.19)
5) http://www.kh.phys.waseda.ac.jp/superconductivity@.html (閲覧2018.1.19)

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