ETH Zurich、室温で量子フリーズ

September, 3, 2025, Zurich--チューリッヒ工科大学(ETH Zurich)では、ウィーン工科大学(TU Wien)の支援を受けて、ガラス粒子が以前のように極低温にすることなく、その量子特性を明らかにするという驚くべき世界記録が樹立された。

量子物理学の限界、これは何十年にもわたって世界中で研究されてきた問題である。この疑問に答えたいのであれば、原子や分子よりもかなり大きい物体も量子現象を示すことができるかどうかを理解する必要がある。

たとえば、直径100nmの小さなガラス球を調べることはできるが、それでも砂粒の1,000倍以上小さい。つまり、量子基準からすると巨大である。何年もの間、そのような球体が依然として量子特性をどの程度示しているかを示す試みが行われてきた。ETH Zurichの研究グループは、TU Wien(ウィーン)の理論的支援を受けて、そのような粒子の回転運動が量子物理学に従って振る舞うことを示すことができた。

振動量子:若干のぐらつきのみが許可され
「微細な粒子は常に少しぐらつく」とTU Wien理論物理学研究所のCarlos Gonzalezは言う。「この振動は、エネルギーと、粒子が環境と温度によってどのように影響を受けるかに依存する。」

日常生活では、あらゆる種類の振動が起こり得ると想定している。たとえば、時計の振り子は任意の角度に振ることができ、必要に応じて、もう少し強くまたは少し弱く振動させることができる。しかし、量子の世界では事態は異なる。非常に低いエネルギーの振動を見ると、非常に具体的な「振動量子」があることがわかる。

「基底状態」と呼ばれる最小振動振幅の状態、少し多くのエネルギーをもつ、わずかに高い振動状態(「最初の励起状態」)などがある。その間に状態はないが、粒子は異なる振動状態の量子物理的組み合わせで存在可能であり、これは量子物理学の中心的な概念の1つである。

「ナノ粒子を量子特性が明らかになる状態にすることは非常に難しい」とCarlos Gonzalez-Ballesteroは言う。「粒子を摂動からできるだけ隔離するには、粒子を真空中で浮遊させる必要がある。さらに通常、その周囲が-273.15℃度の絶対零度に近い極低温であることを確認する必要がある。」

回転はフリーズし、粒子は高温のままである
ETH ZurichとTU Wienは現在、粒子自体が高温で無秩序な状態にあるにもかかわらず、ナノ粒子の非常に特定の側面を量子物理状態にすることができる技術を開発した。

「われわれは、完全に丸いのではなく、わずかに楕円形のナノ粒子を使用している。このような粒子を電磁場に保持すると、コンパスの針のように平衡方向を中心に回転し始める。われわれの問いは、この回転振動の量子特性を見ることができるかということだった。この回転運動から、主に量子基底状態になるまでエネルギーを抽出できるのか?」とCarlos Gonzalez-Ballesteroは説明している。

この目的のためにレーザビームとミラーシステムが使用された。「レーザはナノ粒子にエネルギーを供給することも、ナノ粒子からエネルギーを奪うこともできる。鏡を適切な方法で調整することで、エネルギーが高い確率で抽出され、低い確率でのみ追加されるようにすることができる。したがって、回転運動のエネルギーは、量子基底状態に近づくまで減少する」(Carlos Gonzalez-Ballestero)。

しかし、これを達成するには、レーザの量子ノイズを正しく理解して制御する必要があり、多くの難しい理論的問題を解決する必要があった。

記録破りの量子純度
最後に、回転を量子力学的基底状態にほぼ独占的に対応する状態にすることが可能なことを実際に実証できた。これについて驚くべきことは、ナノ粒子が内部で冷えていないことであり、それどころか、実際には数百度の高温である。

「様々な自由度を個別に検討する必要がある。これにより、ナノ粒子の内部熱エネルギーを同時に減らすことなく、回転運動のエネルギーを非常に効果的に減らすことができる。驚くべきことに、粒子自体の温度が非常に高いにもかかわらず、いわば回転が凍結する可能性がある」(Carlos Gonzalez-Ballestero)。

これにより、冷却は必要なかったにもかかわらず、量子物理学の観点から、以前は同様の粒子で可能だったよりも大幅に「純粋」な状態を作成することが可能になった。「これは、量子物理学の限界を押し広げる技術的に驚くほど実用的な方法である。以前はほとんど不可能だった、安定した信頼性の高い方法で回転する物体の量子特性を研究できるようになった」とCarlos Gonzalez-Ballesteroは話している。