A cryogenic apparatus with a rotatable substrate for matrix isolation spectroscopy of BaF in neon crystals down to 3.2 K

ここで述べられている研究を理解するためには、まず物理学における単純かつ強力な概念を把握しなければならない。すなわち、分子の真の姿を見るためには、その動きを止める必要があるということである。自然界において、原子や分子は絶えず激しく動き回り、衝突し、回転しているため、その内部信号は互いに混ざり合ってぼやけてしまう。科学者たちは、この問題を解決するために「マトリックス単離（マトリックス・アイソレーション）」と呼ばれる手法を用いる。彼らは、ネオンのような無害で不活性なガスの固体のブロックの中に特定の分子を閉じ込め、そのブロックを深宇宙よりも冷たい温度まで凍結させるのである。この凍結された硬い檻の中では、分子は完全に静止した状態に保たれ、研究者はその挙動を極めて精密に研究することができる。この手法は、電子の「電気双極子モーメント」と呼ばれる、幽霊のような性質を追い求める上で特に価値がある。もしこの性質が存在すれば、それは宇宙の基本法則に対する私たちの理解を揺るがすものとなるが、それはあまりにも微小であるため、検出には可能な限り静かで静かな環境が必要となる。

研究チームは現在、モノフルオリド化バリウムと呼ばれる分子のために、これら超低温の凍結された檻を作り出すことに特化した新しい装置を構築した。この分子は、科学者が探している微小な効果を増幅させる重いバリウム原子を持っているため、探索の有力な候補である。研究者たちは、これらの結晶を成長させるための実験室として機能する、精巧な真空チャンバーを構築した。その内部では、高出力レーザーを使用してバリウムフルオリドの固体ターゲットを爆破し、原子と分子の雲を作り出す。この雲は、冷たいガス（ネオンまたは特殊な形態の水素）の流れによって運ばれ、サファイアプレートの上に降り注ぐ。このプレートは機械的な冷却器によって、絶対零度に近い驚異的な3.2ケルビンまで冷却される。この極低温において、ガス分子は瞬時に凍結し、モノフルオリド化バリウムを閉じ込めた固体の結晶を形成する。

この新しい装置をユニークにしているのは、真空を破ったり温度を上げたりすることなく、凍結されたサンプルを回転させることができる能力である。一度結晶が成長すれば、研究者はプレートを回転させて異なる測定器の方へ向かせることができる。結晶にレーザーを照射して、どれだけの光を吸収するかを見たり、あるいは結晶が放つ光を集める鏡の方へと回転させたりすることができる。この柔軟性により、同じ単一の結晶を多角的な方法で研究することができ、個別のサンプル間の違いによって測定が歪むことなく、一貫した測定を行うことが可能となる。このセットアップを用いて、チームはネオンにモノフルオリド化バリウムをドープした結晶の成長に成功し、分子が閉じ込められ安定していることを確認した。特定のレーザー光を結晶に照射すると、分子はエネルギーを吸収し、その後、蛍光として光を再放出した。この輝きを分析することで、彼らは分子の特定のエネルギー状態を特定し、ネオン結晶の環境が気相とよく似た挙動を示すことを確認した。これは、精密な測定を行うためにまさに必要な条件である。

研究者たちはまた、パラ水素として知られる特殊な形態の水素を用いたシステムについてもテストを行った。ネオンも良好に機能したが、水素はより軽く、閉じ込められた分子との相互作用が少ないため、理論的には実験においてさらに優れている。チームは、冷却ガスとして水素を使用してモノフルオリド化バリウムを生成することに成功し、これはこの優れた媒体の中で結晶を成長させるための重要な第一歩となった。しかし、この研究は将来の実験において管理しなければならない課題も明らかにした。レーザー光が明るすぎたり、結晶が極端に冷たかったりすると、分子の発光信号が急速に減衰してしまうのである。研究者たちは、これが分子自体の失敗ではなく、強烈な光や局所的な加熱によって、分子が一時的に光るのを止めてしまう現象であることを突き止めた。彼らは、この減衰効果が温度が低下し、レーザー出力が増加するにつれて強まることを発見した。

モノフルオリド化バリウムに加えて、チームはレーザーが中性のバリウム原子も生成しており、それらも結晶内に閉じ込められ、独自の異なる色で光っていることにも気づいた。これにより、レーザーによる爆破プロセスが、すべてが凍結ブロックの中に収まることになる、異なる種類の種（スピーシーズ）の混合物を作り出していることが確認された。輝きの明るさを測定することで、科学者たちは結晶内に閉じ込められたモノフルオリド化バリウム分子の数を推定し、その密度が1平方センチメートルあたり5 × 10の13乗個のオーダーであることを突き止めた。回転可能なサンプルと3.2ケルビンまで到達できる能力を備えたこの新しい装置は、将来の研究のための堅牢なプラットフォームを提供する。それは、科学者がこれらのデリケートな結晶を成長させ、その環境を制御し、電子の電気双極子モーメントを精査するという精密な作業を開始できることを証明しており、物理学における最も深い問いの一つへの回答に、私たちを近づけている。