シカゴ大学で行われた新しい研究が、連続相転移力学(連続相転移動力学)を説明している数十年前の理論を確認しました。１１月４日号のScience誌に掲載された研究結果が、空間と時間の双方における、量子相転移に関するキッブル・ズレック機構の、初の明確な実証を提供しています。シカゴ大の学物理学者、チェン・チン教授と彼のチームは、絶対零度付近の温度で、セシウム原子気体においてその転移を観測しました。
相転移
Researchers confirm decades-old theory describing principles of phase transitions
In a phase transition, matter changes its form and properties as in transitions from solid to liquid (for example, ice to water) or from liquid to gas (for example, water to steam). Those are known as first-order phase transitions.
「相転移において、物質は、固体から液体への転移(例えば、氷と水)、あるいは、液体から気体(例えば、水と蒸気)への転移過程で、自身の形と性質を変えます。それらは、一次相転移として知られています。」
転移と言うと、癌の転移を真っ先に思い浮かべますが、物質の転移はなかなか思い浮かびません。物質の三体と言えば、恐らく知らない人はいないでしょう。閑話休題、移転と転移がかなり間違いやすいので、困っています。
連続相転移
A continuous phase transition, or second-order transition, forms defects—such as domain walls, cosmic strings and textures—where some of the matter is stuck between regions in distinct states. The Kibble-Zurek mechanism predicts how such defects and complex structures will form in space and time when a physical system goes through a continuous phase transition. Examples of continuous phase transitions include the spontaneous symmetry breaking in the early universe and, in the case of the experiment by Chin’s team, a ferromagnetic phase transition in gaseous cesium atoms.
「連続相転移、あるいは、二次転移は、物の一部が、異なった状態にある領域間に挟まっている、磁壁、宇宙ひもやテクスチャー等の、欠陥を形成します。キッブル・ズレック機構は、物理的システムが連続相転移を経験する時、そのような欠陥や複雑な構造が、どうやって、時空間において形成するのかを予測しています。連続相転移の例は、初期宇宙における自発的対称性の破れや、チンのチームによる実験について言えば、、セシウム原子気体における、強磁性相転移を含みます。」
宇宙ひも、宇宙テクスチャーとか、宇宙論的なことは調べるとキリがないので、敢えて調べませんが、最近、ダークマター(暗黒物質)とか、結構ホットな話題なので、宇宙の謎には興味はあります。ブラックホールは特に興味深いです。
宇宙の謎
“We study phase transitions because it is one of the most fundamental questions that puzzle us,” said Chin, a co-author of the paper. “What is the origin of the complex structure of the universe, how do imperfections emerge and how do identical materials develop distinct properties over time?”
Cosmologists who study the origin, evolution, structure and future of the universe also ponder phase transitions in material because it informs their understanding of what occurred throughout the history of the universe—in particular during its formation.
「”我々は、それが我々の頭を悩ませる最も基本的な疑問の１つなので、相転移を研究しています”と、研究論文の共著者のチンは言った。”宇宙の複雑な構造の起源が何なのか、不完全はどうやって出現し、同一物質がいかにして異なった性質を時間と共に発現するのか？”。宇宙の起源、進化、構造や未来を研究している宇宙学者等も同様に、それが宇宙の歴史を通して、特にそれの形成期に何が起こったのかについての彼らの理解に情報を提供するので、物質における相転移をじっくり思案しています。」
“What we learn from testing KZM in our system is not about the origin of the universe,” Chin said. “Rather it is about how complex structure is developed through a transition. These are two different but related questions. You can ask: ‘Where does snow come from?’ or ‘Why do snowflakes have a beautiful crystal structure?’ Our investigation is more into the second question.”
「”我々の系でKZMをテストすることから学べる事は、宇宙の起源についてではありません”とチンは言った。”むしろ、それは、複雑な構造が、転移を通して、どのうようにして構築されたのかについてです。これらは２つの違っていても関連している疑問です。あなたは、雪はどこから来ますか？とか、何で雪片は美しい結晶構造を持っていますが？と質問することができます。我々の研究は、２番目の質問よりです。”」
雪の結晶は何故あんなに美しいのか？自然の不思議でもあります。
The findings of the experiment can be applied to many systems—such as liquid crystals, superfluid helium or even cell membranes—that go through similar continuous phase transitions. “All of them should share the same space-time scaling symmetry that we saw here,” said Logan Clark, a UChicago doctoral student in physics and first author of the paper.
「実験結果は、例えば、液晶、超流動ヘリウム、さらには、細胞膜などの、似たような連続相転移を経験する、多くの系に適用可能です。”それら全てが、我々がここで目撃したのと同じ空間・時間スケーリング対称性を共有するはずです。”と、シカゴ大学博士課程の学生で論文の筆頭著者のローガン・クラーク氏は強弁した。」
キッブル・ズレック機構の裏付け
In the experiment, a vapor of cesium atoms was cooled using laser beams, thereby creating a quantum cesium gas. Additional laser beams were used to create an optical lattice that lined up the atoms of gas in patterns. Sound waves were used to shake the optical lattice and drive the atoms across a continuous, ferromagnetic quantum phase transition. This caused them to divide into different domains with either positive or negative momentum. The researchers found that the structure of the resulting domains was consistent with what the Kibble-Zurek mechanism would have predicted.
「実験で、セシウム原子の蒸気が、レーザービームを使って冷却された結果、量子セシウム気体を生成しました。追加のレーザー光線が、気体原子がパターンに並んでいる光格子を作るために使われました。音波が、光格子を振動させて、原子を、連続、強磁性、量子相転移へ駆り立てるために使われました。この事が、それらを、正か負の運動量のどちらか一方を持った異なる領域に分割しました。研究者は、結果として生じた領域の構造が、キッブル・ズレック機構が予測していた物と一致する事を発見しました。」
この過程を通して、遂にキッブル・ズレック機構が確認されたようです。
“The quantum gas crossing the phase transition in the optical lattice in our experiment is analogous to the entire early universe crossing a phase transition,” Clark said. “Any system undergoing a continuous phase transition should share the properties we saw in our experiment.”
「我々の実験で、光格子中で相転移を横切る量子気体は、相転移を横断した全初期宇宙に似ています。”とクラーク氏は語った。”連続相転移を経験するあらゆる系が、我々が実験で目撃したその性質を共有するはずなのです。”」
The patterns that formed depended on how quickly the amount of shaking was ramped up, said Lei Feng, a UChicago doctoral student in physics and a co-author of the paper. “The faster the shaking was ramped up, the smaller the domains. The momentum of the atoms in different regions of the fluid was visible through the microscope, so we could see how big the domains were and count the number of defects between them.”
「出来上がったパターンは、振動量がどのくらい速く増加するかが左右しましたと、シカゴ大学博士課程の学生で論文の共著者のレイ・フェン氏は言った。”振動が速い程、領域が小さくなります。その流動体の異なった領域における原子の運動量が、顕微鏡を通して見ることができたので、我々は、その領域がどのくらい大きいのかを見ることができ、その領域間の欠陥の数を数えることができました。”」
物理学の普遍性の証明
Erich Mueller, professor of physics at Cornell University who is familiar with the research, described the findings as “a remarkable demonstration of the universality of physics.”
“The same theory that is used to explain the formation of structure in the early universe also explains the formation of structure in the cold gases” used in their experiments, said Mueller, who did not participate in the study.
「今回の研究に詳しい、コーネル大学の物理学部教授エーリッヒ・ミューラー氏は、その研究結果を”物理学の普遍性の驚くべき証明”として表現しています。”初期宇宙における構造の形成を説明するのに使われているその同じ理論が、実験に使われた冷却ガスにおける構造の形成をも説明しています”。研究には参加しなかったミューラー氏は語った。」
The work contributes to the fundamental understanding of physics, Chin said. “While cosmologists are still searching for evidence of the Kibble-Zurek mechanism, our team actually saw it in our lab in samples of atoms at extremely low temperatures.
“We are on the right track to investigate other intriguing cosmological phenomena, not only with a telescope, but also with a microscope,” he concluded.
「その研究は、物理学の基本的理解に貢献しますとチン教授は言った。”宇宙研究者等がキッブル・ズレック機構の証明を今もなお探索している間、我々のチームは、極低温での原子サンプルにおいて、研究室でそれを実際に目撃しました”。”我々は、ほかの好奇心を刺激する宇宙論的現象を、望遠鏡を使ってだけではなく、顕微鏡を使って研究するのに適した目標に向かって進んでいます。”」
広大な宇宙を研究するのに顕微鏡を使うというのが、コペルニクス的発想の転換(コペルニクス的転回)と言えます。宇宙の謎は、大規模量子コンピュータが開発された暁には解明されると言われていますが、いつになるのかは分かっていません。