新発見！音波は、原子が衝突しない2次元ボース気体中を伝播する

・ルビジウム原子のボース粒子でできた薄いシートの中を、原子が衝突しない極低密度の状態でも音波が伝わることが実証された。
・この現象を証明するために数値シミュレーションを行った。

通常、音は原子同士がぶつかり合う際に媒質【ある作用を他の場所に伝える仲立ちとなる物質や空間】の中を伝播します。音波の伝播は、希薄な量子気体の研究において、熱力学的な振る舞い、超流動的な振る舞い、緩和機構などの知見を得る上で最も重要な要素のひとつです。

流体力学では、音は原子間の衝突によって伝播する密度波です。しかし、超流動体では、状況は少し複雑で、衝突が局所的な熱化を保証するのに十分強力であれば、音のモードが2つ存在する可能性があります。

また、音波を媒質中に伝播させるのに、このような衝突が必要ない場合もあります。最近、2つの独立した研究グループが、低密度で原子の衝突がないにもかかわらず、ボース粒子の薄いシート（2次元ボース気体）の中で音が伝わることを実証しました。

ルビジウム原子の2次元ボース気体における音波の奇妙な振る舞い

無衝突の音波伝播の現象は、液体ヘリウムやゼロケルビン温度付近のボース＝アインシュタイン凝縮体など、いくつかの系で報告されています。しかし、超低温の2次元希薄気体ではまだ観測されていません。

今回、研究チームは、ルビジウム原子のボース粒子の薄い層の中を音波が伝わることを示しました。温度を50から300ナノケルビンまで上昇させながら、この媒質を伝わる音波の振幅と速度を計算しました。

この温度範囲では、ルビジウムの状態は超流動体から気体へと変化します。200ナノケルビン（超流動性が消失する温度）では、速度と振幅の両方が急激に低下すると予想されましたが、そうはなりませんでした。

超流動状態では、音速は二流体流体力学モデルの推定値と一致し、弱い減衰は熱励起による散乱によって正当化されます。研究チームは、通常の状態ではより強い減衰を観測し、これは流体力学的性質からの逸脱に起因していると考えています。

衝突のない2次元ボース気体における音波のシミュレーション

第2の研究チームは、低密度の2次元ボース気体中を伝わる音波について、理論を構築し、数値シミュレーション（グロス＝ピタエフスキー方程式による）を行いました。その結果、音波を動かしているのは、原子間の弱い斥力的な相互作用であることがわかりました。これまでのいくつかの研究では、超流動体における波の動きと同じような相互作用が検出されていました。

両チームの研究は、粒子間の相互作用の結果として、衝突のない音が超流動体であるベレジンスキー＝コステリッツ＝サウレス相転移の上と下の両方に伝わることを実証しています。

両チームは、今回の成果を3次元ボース気体や他の超低温流体にも拡張できることに言及しています。将来的には、これらの系の特性を研究するためのツールとして音を利用することができるようになるでしょう。