安定な一原子分子AlFの光磁気トラップ実現：極低温物理学に新境地

フリッツ・ハーバー研究所の分子物理学部門の研究者らは、安定な閉殻分子である一フッ化アルミニウム（AlF）の光磁気トラップ（MOT）を世界で初めて実証した。この成果は極低温物理学における画期的な進展であり、これまで制御が困難であった分子の精密制御への道を開くものである。このブレークスルーは、物理学の探求において、現象の背後にある本質的な構造を捉える新たな機会を提供する。

この技術的偉業により、AlF分子を3つの異なる回転量子準位で冷却・選択的に捕捉することが可能となった。これは、単一の回転状態に限定されていた従来の分子MOTとは一線を画すものであり、分子の持つ多様な運動状態を同時に制御できることを意味する。この発見は、絶対零度近くまで物質を冷却し、超伝導現象のような量子力学的挙動を捉えようとする物理学の進化の歴史と軌を一にするものである。

研究チームを率いるシド・ライト氏は、コンパクトで安価な蒸気源からのAlFトラップという長年の夢に言及し、初期実験ではAlFが室温の真空壁との衝突でも安定であることを示唆したと述べている。この画期的な成果は、分光学的研究と深紫外技術開発を含め、約8年間にわたる粘り強い探求の末に達成された。この冷却には、光と物質の相互作用を利用したレーザー冷却サイクルが用いられ、絶対零度から$10^{-3}$～$10^{-6}$ Kの極低温領域に到達した。

特に、AlFの冷却には4つのレーザーシステムが必要であり、これらはすべて227.5 nm付近で動作した。この波長は、これまで原子または分子のトラップに使用された中で最も短いものであり、レーザー技術と光学における新たな革新を要求した。この深紫外領域でのレーザー生成と操作は技術的に難易度が高いものの、高エネルギー光子の運動量が散乱時に分子をより強く減速させるという利点ももたらす。

これまで、不対電子を持つ反応性分子（スピン二重項種）のみがこれらのトラップに導入されてきたが、FHIチームは化学的に不活性なスピン一重項分子であるAlFの初のトラップを実証した。AlFの化学結合が非常に強固であるため、不要な化学反応による損失が少ないことが期待され、堅牢な極低温分子実験の主要候補となる。さらに、この分子は長寿命の励起準位を持つため、さらなる低温達成の可能性が開かれている。

リード大学院生のエドゥアルド・パディラ氏は、この成果が分子物理学部門内の巨大なチームワークとリソースの賜物であると語っている。このレーザー冷却されたAlFは、分子の精密測定と量子制御を可能にすると期待されており、量子シミュレーションや基礎対称性の検証に新たな道を開く。約6万個の分子がJ=1準位でトラップされ、J=2およびJ=3でも1万個以上が確認されている。