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理工学部HOME > 学問のすゝめ > コップの中の「宇宙」-低温・量子・超流動-

学問のすゝめ

コップの中の「宇宙」-低温・量子・超流動-

白濱圭也 (物理学科助教授)

写真1:ガラス容器(魔法瓶)に入った、マイナス272度の液体ヘリウム

写真1:ガラス容器(魔法瓶)に入った、マイナス272度の液体ヘリウムです。中央にうっすらと見える楕円がヘリウムの液面で、「超流動」になっているために全く沸騰せず静かな液面をたたえています。断熱のために周りをマイナス196度の液体窒素が取り囲んでいますが、これが激しく泡立っているのとは対照的です。

写真2:研究の一コマ

写真2:研究の一コマです。希釈冷凍機と呼ばれる装置でマイナス273度の極低温をつくり、ヘリウムの性質を研究しています。

写真3:希釈冷凍機に測定装置を取り付けているところ

写真3:希釈冷凍機に測定装置を取り付けているところです。後ろに見える(青い)魔法瓶に入れて、中央の金属部分が極低温度まで冷やされます。いったん低温に冷やされると手を触れることはできないので、実験の準備には細心の注意が要求されます。極低温の実験は時間を要し、1年以上に及ぶこともあります。

写真4:研究室の集合写真

写真4:研究室の集合写真です。チームワークが売り物?です。詳細は物理学科および研究室Webサイトをご覧ください。
(写真をクリックすると拡大されます)

 私たちが住む世界には、素粒子、原子、分子、物質、宇宙といった様々な「階層」が存在しますが、それらの中で起こる現象は、共通の物理法則に従います。このような、自然の「普遍性(universality)」を明らかにすることが物理学の目的の一つです。一方で、金属の中の多数の電子が極低温で示す「超伝導」のように、要素となる電子一個の振る舞いからは決して予測できない現象が存在します。多数の要素が集まってできる階層が全く新しい性質を示すことは「創発(emergence)」と呼ばれ、普遍性と並ぶ現代物理学の基本概念になっています。我々が普段なにげなく手にしているいろいろな「もの」、例えば水やそれをいれるコップにも、この二つの概念と結びついた性質がひそんでいるのです。

 物質にひそむ性質を調べるのにはどうすればよいか? 最も有効な方法が、温度を下げることです。低温では、高い温度で「熱」に隠れていた物質の本性が現れます。その本性の多くは、物質の要素である原子や電子が「波」としても振る舞える、という「量子力学的な性質」が現れたものなのです。この量子の振る舞いが最も劇的に現れるのが、液体ヘリウムがマイナス270度という極低温で示す「超流動」と呼ばれる現象です。超流動状態のヘリウムは粘性が失われ、容器の壁を這い上るなど不思議な性質を示すのですが、その現象の本質はヘリウム原子が「粒子」と「波」の両方の性質を兼ね備えている、ということにあると考えられています。

 私たちはヘリウムがもつ「普遍性」と「創発」を様々な側面から実験的に調べており、従来知られていなかった新しい性質を続々と発見しています。コップの中の液体ヘリウムは一つの小さな「宇宙」であり、そこには未知の性質がまだまだ隠されているのです。

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