国際宇宙ステーションの宇宙飛行士は、科学者が物質の基本的な仕組みを研究し、新しい量子技術を開発する方法を改善するために設計された比類のない施設である NASA の新しくアップグレードされたコールド アトム研究所を稼働させました。宇宙特有の微小重力環境を活用することで、他ではできない最先端の科学を実現します。
量子科学は、原子、電子、個々の光の粒子など、最小スケールでの物質の研究です。原子はビリヤードの球が互いに跳ね返るようなものだと想像するのは簡単ですが、原子は波のような挙動も示し、同時に 2 つの場所に存在でき、相互に通過することもあります。
小型冷蔵庫ほどの大きさで、地球から電力を供給されるコールド アトム ラボは、原子を華氏マイナス 459 度 (摂氏マイナス 237 度) 以下の温度まで冷却します。絶対零度をわずかに超えるこの極寒の環境では、原子はボース・アインシュタイン凝縮 (BEC) と呼ばれる大きな量子物体を形成します。BEC は、固体、液体、気体、プラズマを超えた物質の 5 番目の状態である物質波の集合です。この物体は、素粒子よりもはるかに大きいにもかかわらず、量子力学の規則に従っており、地球低軌道の微重力が波をさらに拡大するのに役立ちます。
「最も低い温度では、物質は私たちが経験したものとは大きく異なる挙動をします」と、この施設を建設した南カリフォルニアのNASAジェット推進研究所のコールドアトムラボのプロジェクトサイエンティスト、ジェイソン・ウィリアムズ氏は語る。 「物質の波の性質が支配的であり、超低温物質は予期せぬ方法で動作する可能性があるだけでなく、時間、重力、運動の非常に正確な測定を可能にします。この研究室には、特に今回のアップグレードにより、宇宙の性質を研究できるようにするためのツールがたくさんあります。」
このプロジェクトは、基礎物理学を研究する 5 つの国際チームをサポートしています。また、将来の地球科学や宇宙探査ミッションをサポートできる量子ツールの宇宙対応性もテストしています。
コールドアトム研究所の中心は、サイエンスモジュールと呼ばれる複雑な機器のセットです。アップグレードされたモジュールは、宇宙ステーションへの商業供給サービスのミッションの一環として 4 月 11 日に打ち上げられ、新しいタイプの実験が可能になりました。
各実験では、ルビジウムまたはカリウム金属のストリップを 750 F (400 C) まで加熱します。この温度は、デバイスの真空チャンバー内でガスが形成されるのに十分な温度です。次に、特定の周波数に調整されたレーザーがガスに照射され、これらの原子からエネルギーが奪われ、原子の速度が低下して冷却されます。このガスがレーザー冷却段階を完了すると、磁気トラップがガスを捕捉して所定の位置に保持します。同研究室は、一連の複雑な技術を使用して原子雲のエネルギーをさらに低減し、原子雲を静止状態に近づけ、微小重力下での時間を最大限に延長した。
超低温ガスを研究するための施設は地球上に存在しますが、コールドアトム研究所では、微小重力下で、さらに低温で、量子ガスを長期間研究することができます。低重力下でこれらの実験を実施することで、科学者は重力と長時間相互作用する、より大きな量子波を研究できるようになります。これらの利点を活用するために、コールド アトム ラボは実際に、宇宙ステーションの実験施設に合わせて、通常はレーザーと卓上ミラーで満たされた部屋全体のサイズの原子物理学研究室を縮小しています。
「軌道上でボース・アインシュタイン凝縮を生成する最初のプロジェクトとして、私たちは量子技術を宇宙で確実に機能させることができることを実証しました」とJPLコールドアトム研究所の副プロジェクト科学者イーサン・エリオット氏は述べた。 「前世紀に、医療画像用のレーザー、携帯電話、MRI 装置につながる量子革命がありました。私たちは量子 2.0、つまり大きな量子状態の直接操作を行っています。そして、この科学を将来的に前進させることで、量子技術でも同様の成果が得られることを期待しています。」
最新のアップグレードは、コールドアトム研究所が2018年に宇宙ステーションに到着して以来4回目となる。主な改良点には、量子ガス雲の形状を変える新たに設計された磁気トラップが含まれており、科学者は原子に関連するさまざまな特性をテストできるようになる。このアップグレードには、これらのガス雲の発生源として機能する再設計された金属トラックも含まれています。
「これは、量子世界の端を制御することに最も近いものです」と、JPLのコールドアトム研究所のプロジェクトマネージャーであるカマル・オディリ氏は、これらの低温について言及した。 「この新しいアップグレードにより、その限界がさらに押し上げられます。」
オドリアリー氏はさらに、このアップグレードは、「地球や月などの基本的な物理タスク、測位、ナビゲーション、タイミングや重力感知のための物質波干渉計などの将来の量子機器を成熟させながら、宇宙ベースの量子技術における米国のリーダーシップを維持するNASAの能力を実証している」と付け加えた。
パサデナのカリフォルニア工科大学が管理する JPL はコールド アトム研究所を設計、建設、運営しており、ワシントンにある NASA の本部にある NASA 科学ミッション総局の生物物理科学部門の支援を受けています。地球上の生命に利益をもたらしながら、さらに遠くへ行き、宇宙に長く滞在するために必要な基本的な科学知識。
Cold Atom Lab の詳細については、以下をご覧ください。
https://nasa.gov/cold-atom-laboratory/
アンドリュー・グッド
ジェット推進研究所、カリフォルニア州パサデナ
818-393-2433
andrew.c.good@jpl.nasa.gov
2026-039
