量子力学の「鏡の国」への扉？理論上の存在「アリス・リング」を世界で初めて観測

この記事は2023年9月4日に前サイトに掲載した物を再編集し、転載した物になります。

通常の磁石は、どれほど細かく分割しても必ずN極とS極が対（双極子）になって存在する。しかし、量子力学や宇宙論の理論的枠組みの中では、N極またはS極だけの性質を持つ粒子、すなわち「磁気単極子（磁気モノポール）」の存在が予言されてきた。素粒子としての磁気単極子は未だ発見されていないが、物質中の量子の集団的な振る舞い（場）においては、同様の性質を持つ「トポロジカル・モノポール」を人工的に生成することが可能である。

アアルト大学のMikko Möttönen教授とアマースト大学のDavid Hall教授らの「モノポール・コラボレーション」は、2014年にこのトポロジカル・モノポールの存在を証明し、2015年にはルビジウム原子のボース・アインシュタイン凝縮（BEC）中での孤立観測に成功している。

しかし、このトポロジカル・モノポールには致命的な弱点があった。それは極めて不安定であるという点だ。BEC中に生成されたモノポールは、数ミリ秒という極めて短い時間で崩壊してしまう。研究チームが直面していたのは、「崩壊した後、そこには何が残るのか？」という問いであった。

今回の発見の核心はここにある。彼らは、モノポールが崩壊して消滅するのではなく、「アリス・リング」と呼ばれる安定した環状構造へと変形（崩壊）するプロセスを捉えたのである。

アリス・リング：量子世界の「鏡」

「アリス・リング」という名称は、単なる比喩ではない。それはこの物体が持つ、空間のトポロジー（位相幾何学）的な特異性を的確に表したものなのだ。

理論物理学において、アリス・ストリング（閉じてリング状になったものがアリス・リング）は、そこを通過する粒子のトポロジカルな電荷を反転させる性質を持つと考えられている。具体的には、アリス・リングの輪の中をモノポールが通過すると、そのモノポールは「アンチ・モノポール（反モノポール）」へと変化する。

a 密度ゼロのコアを持つトポロジカル・モノポール（黒い点）と、それに対応する極秩序パラメータ場。(白い円錐)とスカラー位相φ(背景色)で表される。このようなモノポールは、四重極磁場（青い矢印）のゼロ点を球状凝縮体の中心に断熱的に持ってくることによって作ることができる。b, c モノポールが強磁性相（赤いリング）で満たされたアリス・リングに動的に減衰した後の秩序パラメータ場。極性凝縮は、y > 0 (b) と z < 0 (c)の断面で示されている。 (Credit: Alina Blinova et al . Observation of an Alice ring in a Bose–Einstein condensate . Nature Communications (2023))

これは『鏡の国のアリス』において、鏡を通り抜けたアリスの世界が反転していた物語に酷似している。物理学的に言えば、これは電荷共役（Charge Conjugation）の一種と見なすことができる。局所的なゲージ場において、リングを一周する経路（あるいはリングを通過する経路）を取ることで、物理的対象の性質が不連続に変化するのではなく、連続的に反転してしまう不思議な空間構造なのだ。

物理的な実体としてのアリス・リングは、BEC中における「半量子渦（Half-quantum vortex）」のループとして記述される。

実験：極低温の雲の中に「リング」を見る

実験には、絶対零度近く（ナノケルビンオーダー）まで冷却されたルビジウム87（ 87 Rb）原子のガスが用いられた。この状態では、多数の原子が単一の量子状態をとり、巨視的な量子波（物質波）として振る舞う。これをボース・アインシュタイン凝縮（BEC）と呼ぶ。

BECは、原子のスピン状態によって「強磁性相（Ferromagnetic phase）」や「極性相（Polar phase）」などの磁気的性質を持つ。今回の実験では、極性相にあるBEC中にモノポールを生成した。

1. 生成: 外部磁場の操作により、トポロジカル・モノポールが生成される。
2. 変形: モノポールの中心点（特異点）では粒子密度がゼロにならざるを得ず、エネルギーコストが高い。システムはこのエネルギーを低減させようとする。
3. リングの形成: 特異点は点から「環（リング）」へと広がる。興味深いことに、このリングの芯（コア）の部分は、周囲の極性相とは異なる強磁性相の流体で満たされることが分かった。
4. 安定化: モノポール自体は数ミリ秒で崩壊するが、生成されたアリス・リングは80ミリ秒以上という、量子現象としては極めて長い寿命を持つことが確認された。

なぜこの発見が重要なのか

凝縮系物理学（今回のBEC実験）におけるアリス・リングの発見は、宇宙初期に起こったとされる対称性の破れや、欠陥形成のプロセスを地上でシミュレーションできることを意味する。いわば、「実験室の中に初期宇宙の模型を作り出した」に等しい。これにより、理論物理学者たちは計算機の中だけでなく、実実験を通して宇宙の根本原理を検証する手段を得たことになる。

アリス・リングがモノポールに比べて長寿命（約20倍以上）であるという事実は、トポロジカル保護の観点から極めて重要だ。トポロジーによって守られた構造は、外部からのノイズに対して堅牢であるため、将来的には量子コンピューティングにおける情報の記憶単位や、安定した量子状態の維持に応用できる可能性がある。

物理学は「不思議の国」へ

論文

• Nature Communications: Observation of an Alice ring in a Bose–Einstein condensate

参考文献

• Aalt University: Quantum discovery offers glimpse into other-worldly realm
• via ScienceAlert: Mysterious Loops in The Fabric of Reality: Physicists Get First Glimpse of ‘Alice Rings’