ボース・アインシュタイン凝縮とは？

ボース・アインシュタイン凝縮（Bose-Einstein condensate, BEC）は、整数スピンを持つ粒子（ボソン）を絶対零度に近い極低温まで冷却したとき、多数の粒子が同じ最低エネルギー量子状態（基底状態）へ一斉に落ち込む相転移現象です。サティエンドラ・ナート・ボースとアルベルト・アインシュタインが1924〜1925年に理論的に予言しました。

フェルミ粒子（半整数スピン）がパウリの排他原理により同じ状態を占有できないのと対照的に、ボソンは同じ状態に何個でも入ることができます。温度が十分低くなり、粒子のド・ブロイ波長が粒子間距離と同程度になると、波動関数が互いに重なり合い、巨大な一つのコヒーレントな量子状態が形成されます。

実験的にはコーネル・ケターレ・ワイマンらが1995年にルビジウム原子の気体で初めてBECを実現し、2001年のノーベル物理学賞を受賞しました。BECの主な特徴と関連現象は以下のとおりです。

• 超流動：液体ヘリウム-4の超流動はBECと深く関連し、粘性なしに流れる性質を示す
• コヒーレンス：凝縮体全体が一つの波動関数で記述され、レーザー光のような干渉を示す
• 量子渦：回転させると量子化された渦が生じる
• 原子レーザー：BECを利用してコヒーレントな原子ビームを生成できる

BECは量子コンピュータ・精密計測・超流動・量子シミュレーションなど、最先端物理学の研究基盤として注目されています。