Prethermal ripplons in quenched binary Bose-Einstein condensates

量子物理学という静かな世界において、原子は固体のビー玉というよりも、重なり合う波のように振る舞います。科学者たちは長い間、ある単純な規則に依拠してきました。すなわち、十分な時間を与えれば、カオス的なシステムは最終的に熱平衡と呼ばれる穏やかで予測可能な状態に落ち着くという規則です。これは、コーヒーが部屋の温度に合うまで冷えていくように、エネルギーがシステムのすべての部分に等しく分配された状態を指します。しかし、自然界は時として回り道をすることがあります。最終的な静寂に達する前に、多くのシステムは「プレサーマル（前熱的）状態」として知られる、長期間続く準安定な状態に陥ることがあります。このフェーズでは、システムは落ち着いたように見えますが、初期のカオス的な記憶を保持し続け、エネルギーを公平に分かち合うことを拒みます。なぜ、そしてどのようにしてこれらのシステムが停滞するのかを理解することは、宇宙の初期の瞬間から複雑な材料の挙動に至るまで、あらゆるものへの手がかりを与える根本的な課題です。

ジョイント量子研究所（Joint Quantum Institute）および国立標準技術研究所（NIST）の研究チームは、この現象を極低温原子の雲の中で観察することにより、その動きを捉えることに成功しました。彼らは、本来互いに反発し合う2種類の異なる原子が、一つの空間を共有するように強制されるシナリオを作り出しました。条件が突然変化したとき、これらの原子は単に混ざり合ったり即座に分離したりすることはありませんでした。代わりに、それらは2つの大きなドメイン（領域）の間に、鋭い境界、すなわち一次元の界面を形成しました。この境界は静止した壁ではなく、「リプロン（ripplon）」と呼ばれる波によって波打ち、揺らいでいました。研究者たちはこれらの波の進化を観察することで、界面が通常のエネルギー共有の規則を無視する、プレサーマル状態に入ったことを発見しました。

実験は、絶対零度に近い温度まで冷却され、平らな正方形の箱の中に閉じ込められた約160万個のナトリウム原子の雲から始まりました。当初、すべての原子は同じ量子状態にありました。その後、研究者はマイクロ波パルスを使用して、水と油のように互いに相容れない2つの等しい原子グループに雲を分割しました。これら2つのグループは直ちに分離し始め、ランダムな液滴を形成し、それらが合体・成長することで、箱の反対側に2つの大きな、明確なドメインが出現しました。研究の焦点はこの間の境界でした。原子が落ち着くにつれ、2つのドメイン間の界面は変動し始め、さまざまなサイズの波を作り出しました。研究者たちは、極めて高い精度でこの境界の高さを測定し、これらの波が最大4秒間にわたってどのように変化するかを追跡しました。

彼らが発見したのは、顕著な挙動の分裂でした。界面の波には、非常に短くタイトな波紋から、長くゆったりとしたうねりに至るまで、多くのサイズがありました。短く高周波の波紋は、周囲の原子の雲へと素早くエネルギーを失い、ガスのバルク（本体）と同じ温度に落ち着きました。しかし、長く低周波の波は異なる挙動を示しました。これらの大きな波紋は熱いままの状態を維持し、長い時間が経過した後でも、システムの他の部分よりも著しく多くのエネルギーを保持していました。システムは、小さな波は穏やかになったものの、大きな波は依然として激しく動いているという、長寿命のプレサーマル構成に達していました。

これを理解するために、科学者たちはこれらの波と周囲の原子との間でどのようにエネルギーが移動するかを調べなければなりませんでした。典型的なシステムでは、エネルギーはすべてが同じ温度になるまで自由に流れます。ここでは、運動の法則がその流れを大きな波に対して阻止しました。研究者たちは、大きな波紋が「運動学的に孤立している」ことを見出しました。これは、彼らの動きを支配する物理法則が、通常の衝突のようなプロセスを通じて、周囲の原子にエネルギーを容易に転送することを不可能にしていることを意味します。大きな波紋が熱を放棄するために必要なエネルギーが、周囲の原子で利用可能なエネルギーと一致しなかったため、その不一致が転送をブロックしたのです。これは、穏やかな微風で重い岩を動かそうとする試みに似ています。風がどれほど長く吹き続けても、その風が石を動かすことはできません。

チームは、波の温度を直接測定することで、この孤立を裏付けました。彼らは、大きな波紋の温度は周囲のガスの温度よりもはるかに高い一方で、小さな波紋はガスに合わせて冷却されたことを発見しました。また、波がレーザービームのような特別なコヒーレント状態を形成しているといった他の可能性についても、波が標準的な統計パターンに従っている（ただし温度が異なっているだけである）ことを示すことで、排除しました。データは、大きな波が非常にゆっくりと減衰することを示しており、緩和に要した時間は約5秒と測定されました。これは、小さな波が落ち着くのに要した時間よりも遥かに長い時間です。

この発見は、システムが完全に秩序立っているからではなく、エネルギーの移動方法がシステムの幾何学的構造によってブロックされているために、システムがプレサーマル状態に陥ってしまうという、明確な実験的例を提供しています。研究者たちは、2つの原子ドメイン間の界面が、かなりの期間、世界の他の部分から事実上遮断されたサブシステムとして機能していたことを観察しました。小さな波は平衡への経路を見つけた一方で、大きな波は高エネルギーの状態に閉じ込められたまま、複雑な相互作用がようやく冷却を許してくれるのを待っていました。

この研究は、量子力学の根本的な側面を浮き彫りにしています。すなわち、系が完全に孤立していなくても、エネルギー交換の経路がブロックされている場合、特定の部位が長時間にわたって非平衡状態に留まり得ることです。研究者たちは、この緩やかな緩和を引き起こすメカニズムを特定した一方で、このプレサーマル状態を最初に作り出した正確なプロセスや、それが最終的にどのように減衰するかの全容については、依然として未解決の問いであると述べています。彼らは、その答えは、個々の波がどのように位相のコヒーレンス（可干渉性）を失うか、あるいはプレサーマル・グループ内でどのように互いに混合するかにあるのではないかと示唆しています。制御可能なクリーンなプラットフォームを提供することで、この実験は、複雑な量子システムがどのように平衡に近づくのかを理解するための新しい窓を開きました。このプロセスは、最小スケールにおける物質の挙動の中心的な要素です。