いくつかを見つけるには 宇宙で最も冷たい天体の中でも、地元の大学より遠くに行く必要はありません。そこでは、物理学者がレーザー光と磁石を使用して、驚くべき華氏マイナス 450 度以下で原子を冷却している可能性があります。彼らはこれらの極低温の原子を使って、室内の最も弱い磁場さえ感知したり、1000兆分の1秒以内の精度の時計を構築したりできるかもしれません。しかし、これらのセンサーや時計は大きくて壊れやすいため、おそらく研究室の外に持ち出すことはできませんでした。

今回、ノッティンガム大学の物理学者チームは、極低温量子実験用の部品を 3D プリントすることで、装置を通常のサイズのわずか 3 分の 1 に縮小できることを示しました。 8月にジャーナル「  Physical Review X Quantum」に掲載された彼らの研究は、実験用に小型で安定したカスタマイズされたセットアップを作成するための、より迅速かつアクセスしやすい方法への扉を開く可能性がある。

極度に冷たい原子は量子力学の規則に従うため、新しく有用な動作を示します。「超低温原子は、さまざまな精密機器に組み込まれている重要な技術です」と、この研究には関与していない国立標準技術研究所の物理学者ジョン・キッチング氏は言う。

「超低温原子は時間の優れたセンサーです。これらは、いわゆる慣性力、つまり加速度や回転を検出する優れたセンサーです。これらは磁場の優れたセンサーです。そして、それらは優れた真空センサーです」と、やはりこの研究には関与していない同僚のスティーブン・エッケルは付け加えた。

その結果、物理学者は長い間、車両の加速度の変化を感知してナビゲーションを支援できる宇宙探査から、地上の重力を検出して地下水を正確に特定できる水文学まで、さまざまな環境で超冷原子デバイスの使用を模索してきました。 ただし、これらのタスクを実行できるほど原子を冷やすプロセスは、多くの場合複雑で困難です。ノッティンガム大学の物理学者で、この研究の共著者の一人であるネイサン・クーパー氏は、「低温原子の実験者として長い間過ごしてきたが、技術的な問題の解決にすべての時間を費やしていることにいつも本当にイライラしている」と語る。

原子の冷却と制御の鍵は、微調整されたレーザー光を原子に当てることです。暖かい原子は時速数百マイルの速度で飛び回りますが、 極度に冷たい原子は ほぼ静止しています。物理学者は、温かい原子にレーザー光線が当たるたびに、原子がエネルギーを失い、速度が低下し、より冷たくなるような方法で光が当たることを確認します。通常、彼らは迷路のようなミラーとレンズ (光学部品) で覆われた 5 × 8 フィートのテーブルで作業します。これらのレンズは、特殊な容器に保管されている何百万もの原子 (多くの場合ルビジウムやナトリウム) に向かって光を導き、操作します。超高真空チャンバー。このチャンバー内のすべての超低温原子がどこにあるかを制御するために、物理学者は磁石を使用します。彼らの畑は柵のような役割を果たします。

長さ数マイルの粒子加速器や大型望遠鏡と比較すると、これらの実験装置は小規模です。しかし、それらはあまりにも大きくて壊れやすいため、学術研究室以外で使用する商品化可能なデバイスにはなりません。物理学者は、光学迷路内のすべての小さな要素を位置合わせするのに何か月も費やすことがよくあります。現場ではよくあることですが、ミラーやレンズが少しでも揺れると、作業が大幅に遅れてしまいます。「私たちが試してみたかったのは、非常に迅速に作成でき、できれば確実に動作するものを構築することでした」とクーパー氏は言います。そこで彼と共同研究者たちは 3D プリントに目を向けました。

ノッティンガムのチームの実験はテーブル全体を占有するわけではありません。テーブルの容積は 0.15 立方メートルで、大きなピザ箱を 10 個重ねたよりわずかに大きいです。「それはとてもとても小さいです。従来のセットアップと比較して、サイズを約 70% 縮小しました」と、ノッティンガム大学の大学院生であり、研究の筆頭著者であるソマヤ マドカリー氏は述べています。それを構築するために、彼女と同僚は、非常にカスタマイズ可能なレゴ ゲームのようなものに取り組みました。彼らは部品を購入する代わりに、希望どおりの形状になるように 3D プリントしたブロックからセットアップを組み立てました。

重要なのは、小型化されたセットアップが機能したことです。研究チームは2億個のルビジウム原子を真空チャンバーに装填し、すべての光学部品にレーザー光を通し、光を原子に衝突させた。原子は、科学者が過去 30 年間、より従来型の装置を使って行ってきたのとまったく同じように、華氏 –450 度よりも冷たいサンプルを形成しました。

「このような低温原子システムを構築することは大きな一歩だと思います。これまでは個々のコンポーネントのみが 3D プリントされました」と、この研究には関与していないポツダム・ライプニッツ天体物理学研究所の物理学者、アライン・ディンケレイカー氏は言う。これまでの実験が、事前にデザインされた宇宙船を組み立てられる特別なレゴキットを購入するようなものだとすれば、ノッティンガムチームのアプローチは、最初に宇宙船を設計し、それからそれを構成するブロックを 3D プリントするようなものでした。

3D プリントを使用する大きな利点は、すべてのコンポーネントをカスタム設計できることだとディンケレイカー氏は指摘します。「時々、小さな奇妙な形のコンポーネントや奇妙な形のスペースがあるだけです。ここでは、3D プリントが優れた解決策となり得ます」と彼女は言います。

この論文のもう一人の共著者であるルシア・ハッカーミュラー氏は、各部品を独自の仕様に従って作成することで最適化が可能になったと述べています。「私たちは可能な限り最高の設計をしたいと考えていますが、問題は通常、建設上の制約があることです」と彼女は言います。「しかし、3D プリント方法を使用すれば、基本的に考えられるものはすべてプリントできます。」この最適化プロセスの一環として、チームは磁石の最適な配置を見つけるために開発したコンピューター アルゴリズムを使用しました。また、3D プリントしたコンポーネントを完全に精巧に仕上げるまで、10 回ほど繰り返し作業しました。

この新しい研究は、基礎物理学研究のためのこのツールをより手頃な価格で入手しやすくするための一歩前進です。「これにより、標準的な超低温原子実験がより安価に、より迅速にセットアップできるようになることで加速し、ある程度民主化されることを願っています」とクーパー氏は言う。彼は、レンズと鏡、ルビジウム原子、3D プリンターだけを持って無人島に取り残された場合、通常の 5 ～ 6 倍の速さで、ゼロから完全に機能するデバイスまで約 1 か月で完成できるのではないかと推測しています。Madkhaly にとって、ゼロからのスタートは単なる想像上のシナリオではないかもしれません。卒業後は母国サウジアラビアに戻り、3D プリンティングを利用して新しい極冷原子研究を始めるかもしれない、と彼女は言う。「これは非常に新しい分野です」と彼女は付け加えた。

キッチング氏はまた、これらのツールが学界の外、たとえば磁場や重力場を感知する量子力センサーを製造する企業によって使用されることも想定している。これらの企業は量子物理学の訓練を受けた科学者を雇用していない可能性がありますが、それは問題ではありません。同氏は、技術者が 3D プリントされたコンポーネントからデバイスを組み立てる組立ラインをセットアップしているところを想像しています。そして、それらのデバイスが定期的に調整しなくても動作するほど安定していれば、従業員は依然として安心してそれらを使用できます。

たとえば、商用の超低温原子装置は、土木技術者、石油・ガス会社、考古学者、火山学者が、原子の重力に対する極度の感度に基づいて、地下の地形をより適切に地図作成するために使用することができます。超低温原子は、 GPS 衛星が 届かない場合でも機能するナビゲーション ツールにとって重要な要素であることが判明する可能性もあります 。超低温原子時計は、輸送ネットワークや電気通信ネットワークを同期したり、あらゆる為替や取引で非常に正確なタイムスタンプが必要な状況で金融取引を保護したりするために使用される可能性があります。

ハッカーミューラー氏と同僚たちは、既存のセットアップも引き続き最適化する予定です。「私たちは、まだすべての 3D プリンティング機能を十分に活用できていないと考えています。これは、私たちのセットアップをさらに小さくできることを意味します」と彼女は言い、現在のサイズのほぼ半分にできると考えています。クーパー氏は、「これでできることの限界がどのようなものか見てみるつもりです。」と述べています。