米国国立標準技術研究所（NIST）の物理学者たちは、物体を理論的に絶対零度まで冷却する方法を開発した。
本日Nature誌に詳細が掲載されたこの画期的な技術は、振動するアルミニウム膜を「量子限界」以下の温度である360マイクロケルビンまで冷却するために用いられました。この360マイクロケルビンという値は、分子の活動が停止する温度であるゼロケルビン、つまり絶対零度にわずかに届かない温度です。
この量子限界は、物理法則に従って実際に到達可能な最低温度であると考えられていました。NISTの研究者たちは、超伝導体とマイクロ波を用いてこの壁を破ったと述べています。
物体を超冷却するためには、これまでもいくつかの技術が用いられてきましたが、NISTのこの新技術は、熱の原因となる厄介な量子ゆらぎ（エネルギーのランダムな変動）を低減することで、より低温を実現します。鍵となるのは、小さなアルミニウム製のドラムから「光を絞り出す」ことです。
「光を使って物体を冷却できる温度には量子的な限界があります。レーザー冷却、あるいはサイドバンド冷却はよく知られた冷却技術ですが、光の量子ノイズのため、原理的にも完全に冷却することは不可能です」と、実験を主導し、本研究論文の共著者でもあるジョン・テューフェル氏はThe Register紙に語った。
NIST の 360µK アルミニウムドラム ... クリックして拡大 (出典: Teufel/NIST)
直径20マイクロメートル、厚さ100ナノメートルの小さなドラムは、超伝導回路に埋め込まれ、電磁空洞を形成します。マイクロ波光をドラムに照射すると、ドラムの動きが空洞内でのマイクロ波の反射に影響を与えます。
空洞内のマイクロ波光は、空洞の振動周波数に合わせて周波数を変化させます。これは空洞の自然な「音色」と呼ばれ、音叉に適切な周波数を当てると純粋な音が出るのと似ています。
研究者たちは、空洞の周波数よりも低いマイクロ波周波数を印加して回路内の電荷を駆動し、ドラムを叩きます。ドラムが叩くと、空洞の振動からわずかな余分なエネルギーを取り出すことで、マイクロ波周波数よりも高い周波数の光子を発生し、空洞の周波数に合わせます。
空洞が光子で満たされると、一部の光子が漏れ出します。漏れ出る光子1つにつき、振動エネルギーの単位であるフォノン1つも漏れ出します。これにより振動エネルギーが減少し、ドラムの温度が下がります。
スクイージングは、ノイズ、つまり量子ゆらぎを「光の有用な特性から、実験に影響を与えない別の特性へ」移動させます。
「ノイズは、冷却しようとしている対象にランダムな刺激や加熱を与えます」とテューフェル氏は説明した。「私たちは光を『魔法の』レベル、つまり非常に特定の方向と量で圧縮することで、より安定した強度を持つ完全に相関した光子を作り出しているのです。」
理論によれば、スクイーズド光は冷却限界をなくし、量子物理学の予測よりも低い温度に到達できるようになる。もし光を完全に「スクイーズ」できれば、振動運動を絶対零度に「任意に近い」温度まで冷却することが可能になると、テューフェル氏はThe Register紙に語った。
物体を冷却することには広範囲にわたる利点があると、テューフェル氏は付け加えた。「ドラムをより冷やすことができれば、どんな用途にもより適しています」と彼は述べた。「センサーはより高感度になり、情報をより長く保存できるようになります。量子コンピューターで使用すれば、歪みのない計算が可能になり、まさに求めている答えが得られるでしょう。」®
