6.10 ボース＝アインシュタイン凝縮と超流動

目次 ／ 第6章：量子領域

I. 現象とそこから生まれる問い

ボソンの集団を極低温まで冷やすと、粒子は個別のふるまいをやめ、同一の量子状態を共有します。試料全体に位相がそろった「絨毯」が敷かれたかのように、そろって波打つのが特徴です。典型的な指標は、二つの独立凝縮体を同時に解放すると干渉縞が鮮明に現れること、環状容器で流れが抵抗なく持続すること、緩やかな撹拌では粘性がほぼ見えず、ある閾値を超えると量子化渦が突如立ち上がることです。疑問は、なぜ極低温の流体がほとんど摩擦なしに滑るのか、なぜ流速が連続ではなく量子化されるのか、そして「常流体」と「超流体」がなぜ共存するのか、という点です。

II. エネルギー・スレッド理論（EFT）の読み：位相ロック、チャネル遮断、欠陥の量子化

**エネルギー・スレッド理論（EFT）では、安定構造（原子や対になった電子など）はスレッドの巻き付きから生じ、外層がエネルギーの海（Energy Sea）**と結合し、内部は自律的な拍を保ちます。全スピンが整数であれば、集団運動はボース規則に従い、位相がコヒーレントに加算されます。十分に冷えると、次の三点が支配的になります。

• 位相ロック：流れる「位相の絨毯」を敷く
  温度が下がると**テンション背景雑音（TBN）**が弱まり、位相を乱す擾乱が減ります。外層の位相が隣同士でそろい、試料全体にわたる共通位相ネットワーク—絨毯—が張られます。いったん敷かれると、集団流のエネルギー代価は急落し、もっとも滑らかなテンション回廊に沿って流れるようになります。
• チャネル遮断：粘性が崩れる
  通常の粘性は、微小なさざ波チャネルを通じてエネルギーが環境へ漏れることで生じます。絨毯が形成されると、この秩序が漏洩チャネルを抑え込み、コヒーレンスを壊す擾乱は絨毯全体で跳ね返されるか、そもそも起きにくくなります。そのため小さな駆動ではほぼ無抵抗です。流量やせん断を増すと絨毯が局所的に保てなくなり、新たな散逸経路が開きます。
• 欠陥の量子化：渦の出現
  絨毯は恣意的にねじることができず、強い応力下では位相を保つために位相欠陥として譲歩します。代表例は量子化渦で、低インピーダンスの糸状コアのまわりに位相が 1、2、3 … と整数回巻きつきます。整数は単価値性を保証するために必須です。渦の生成と消滅が、超流動がエネルギーを失う主要な経路になります。
• 二成分が自然に生まれる仕組み
  絶対零度でないかぎり、一部は位相ロックから外れ、環境とエネルギーをやり取りします。これが常流体成分で、位相の絨毯は超流体成分です。結果として二流体の分解が自然に得られます。温度が下がるほど絨毯が広がり、超流体の比率が増します。

概念上の境界として、EFT ではゲージ粒子（光子やグルーオン）は海の中を伝わる波束であり、原子凝縮は安定な巻き付き構造の位相ロックを扱います。どちらもボース統計ですが「材料」が異なります。前者は場のリップルの包絡、後者は外層の集団自由度です。

III. 代表的な場面：ヘリウムから冷却原子まで

• 超流動ヘリウム
  ヘリウム 4 は噴水効果、壁面を摩擦なしに這い上がる挙動、渦格子の形成などを示します。EFT では、位相の絨毯が体積全体を覆い、ゆっくりした駆動ではエネルギーの海への散逸チャネルをほとんど開かず、渦チャネルが強制されるときにのみ開きます。
• 希薄な冷却原子の凝縮
  磁気光学トラップ内で希薄アルカリ原子が凝縮し、解放後に二つの独立凝縮体が重なると干渉縞が直接現れます。EFT では、二つの絨毯の縁が位相でそろい、縞は原子同士の衝突跡ではなく「位相整列の模様」です。
• 環状トラップと持続電流
  環状チャネルでは循環が長期にわたり保たれます。EFT では、閉じた絨毯の巻き数が固定され、渦の閾値を超えた駆動のみが次の整数段へジャンプさせます。
• 臨界速度と障害物
  光学的な「スプーン」を凝縮体中でゆっくり引くと航跡が出ませんが、ある速度を越えると渦の列が生まれ、粘性が増します。EFT では、低速ではチャネルが閉じていますが、高速では絨毯が破れ、欠陥の連なりが吐き出されてエネルギーが外へ運ばれます。
• 二次元薄膜と渦対
  二次元極限では渦と反渦が対を組み、温度がある点まで上がると対が解け、秩序が崩れます。EFT では、絨毯は対になった欠陥のみを許容し、対が裂けると位相ネットワークが崩壊します。

IV. 観測される指紋

• 干渉：二つの凝縮体を重ねると安定な縞が生じ、縞の位相は全体の位相差にあわせて平行移動します。
• ほぼ無粘の流動：弱い駆動では圧力と流量の関係がほぼ無散逸で、圧力降下が蓄積しません。
• 量子化渦：回転や強撹拌で渦核が格子状に現れ、個数は回転数に比例し、核の大きさは一定スケールに従います。
• 臨界ジャンプ：ある速度をまたぐと散逸と発熱が急に増大します。
• 二成分輸送：熱と質量の流れが分離し、「エントロピー波」に相当する第二音が現れます。

V. 標準記述との対応

標準的な言い方では、位相の絨毯を巨視的な波動関数（秩序変数）で表し、速度は位相勾配で決まります。低速では励起できるエネルギー担体がなく、散逸が生じません。臨界速度は、渦やフォノンが励起できるかどうかで決まります。EFT はより物質感のある像を与えます。すなわち テンション背景雑音（TBN） が抑えられると外層位相が共通ネットにロックし、低駆動では散逸チャネルが閉じたまま、高駆動で量子化欠陥として開きます。両者は観測量とスケーリングでは一致しつつ、前者は幾何と波、後者はスレッドと海の組織に焦点を当てます。

VI. 要するに

ボース＝アインシュタイン凝縮と超流動は「極低温の不思議」ではありません。位相をロックしてスケールをまたぐ絨毯を敷くことが肝心です。この絨毯は、流れを最も滑らかなテンション回廊に導き、低駆動では散逸経路をほぼ閉じます。強く駆動すると絨毯は量子化渦という欠陥で譲歩し、そこから散逸が始まります。
ひと言で言えば、位相をロックして地図を敷き、チャネルを閉じて超流動に至る；強い駆動は欠陥を生み、散逸を呼び込みます。