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青山学院大学、近畿大学、理化学研究所の研究グループは、負の絶対温度の原子気体が、物性物理学における難題である「量子磁性体におけるフラストレーションの効果」を解明するためのシミュレータとして機能することを示しました。この成果は、「負の絶対温度」という基礎物理学的な概念が、量子デバイスにおける技術要素として大きな応用の可能性を持っていることを示唆します。本件に関する論文は2020年3月20日にNature Researchの発行する学術雑誌''Communications Physics''に掲載されました。
【本件のポイント】
・負の絶対温度という特異な性質を量子シミュレータの機能として活用することを提案
・量子磁性体におけるフラストレーションの効果という物性物理学の難題の解決に道筋
・精密な数値計算から、量子シミュレーションの案内となる量子相転移点のベンチマークを作成
【内容】
一般的に「負（マイナス）の温度」と聞くと、冷凍庫の中（マイナス15℃程度）やドライアイス（マイナス78.5℃）などの寒い場所や冷たいものを想像するかもしれません。しかしながら、これらは摂氏温度に基づいて測ったから負になっているのであって、「絶対温度」に基づいて測定すると正（プラス）の温度をとります。
絶対温度とは、摂氏温度で約マイナス273.15℃を絶対零度（0ケルビン）として測った温度のことです。絶対温度で測定すると、冷凍庫の中はプラス258ケルビン程度、ドライアイスはプラス195ケルビンになります。これらに限らず、私たちの身近にある通常の物質は正の絶対温度を持っています。では、物質の絶対温度を負にすることはできないのでしょうか？
実は、実験室に超高真空（ultra high vacuum）状態を作り、レーザーや電磁石を使ってそこに非常に薄い原子気体（粒子数密度が大気の1万分の1程度）を閉じ込めて、慎重にその気体を操作すると、負の絶対温度を実現することができます。このように苦労して人工的に作り出した負の絶対温度の気体は何の役に立つのでしょうか？
青山学院大学理工学部（神奈川県相模原市）物理・数理学科山本大輔助教、近畿大学理工学部（大阪府東大阪市）理学科物理学コース段下一平准教授、理化学研究所創発物性科学研究センター（埼玉県和光市）福原武ユニットリーダーは、この負温度の原子気体が、物性物理学における難題である「量子磁性体におけるフラストレーションの効果」を解明するためのシミュレータとして機能することを示しました。
この成果は、「負の絶対温度」という基礎物理学的な概念が、量子デバイスにおける技術要素として大きな応用の可能性を持っていることを示唆します。
本件に関する論文は2020年3月20日にNature Researchの発行する学術雑誌''Communications Physics''に掲載されました。
※発表内容の詳細については、添付資料の「プレスリリース全文」をご覧ください。
【論文掲載】
論文タイトル：Frustrated quantum magnetism with Bose gases in triangular optical lattices at negative absolute temperatures
掲載誌：Communications Physics 3 (2020)
著者：山本大輔助教（青山学院大学）、福原武ユニットリーダー（理化学研究所）、段下一平准教授（近畿大学）
DOI：10.1038/s42005-020-0323-5
▼研究に関する問い合わせ先
青山学院大学 理工学部 助教
山本 大輔（やまもと だいすけ）
E-mail : d-yamamoto@phys.aoyama.ac.jp
近畿大学 理工学部 理学科 准教授
段下 一平（だんした いっぺい）
E-mail : danshita@phys.kindai.ac.jp
▼JST事業に関すること
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ
中村 幹（なかむら つよし）
TEL：03-3512-3531
FAX：03-3222-2066
E-mail：crest@jst.go.jp
▼取材に関する問い合わせ先
青山学院大学
政策・企画部 大学広報課
TEL：03-3409-8159
https://www.aoyama.ac.jp/companies/interview.html
近畿大学
総務部広報室 担当：高橋、村尾
TEL：06-4307-3007
FAX：06-6727-5288
E-mail： koho@kindai.ac.jp
科学技術振興機構 広報課
TEL：03-5214-8404
FAX：03-5214-8432
E-mail： jstkoho@jst.go.jp
【リリース発信元】 大学プレスセンター
https://www.u-presscenter.jp/
