現代物理学の最も基本的な概念の一つが自発的対称性の破れである。系が相転移を経て秩序状態になるとき、無数の等価な可能性の中から、見かけ上ランダムに特定の配置を選ばなければならない。強磁性体は磁化の方向を選ぶ。結晶は格子の位置を選ぶ。そしてボース＝アインシュタイン凝縮体（BEC）——巨視的な数の粒子が同一の量子状態を占める物質の状態——は位相を選ばなければならない。
この選択の瞬間、すなわち無から大域的位相が出現することは、BEC理論の核心である。これは1938年にフリッツ・ロンドンによって予言され、以来、物性物理学の柱となってきた。しかし、時間領域で直接観測されたことはこれまで一度もなかった。
今回、ドイツのRPTUカイザースラウテルン＝ランダウ大学の物理学者たちが、コロラド大学コロラドスプリングズ校の共同研究者とともに、イットリウム鉄ガーネット（YIG）のミリメートル規模の結晶内部でこの現象が起こる様子を撮影することに成功した。その成果はNature Physicsに掲載された。
「マグノン凝縮体におけるコヒーレンスの自発的出現を直接測定できたのは初めてです」と、研究の第一著者であるマルテ・コスター氏は述べる。「凝縮体の位相が外部源とは無関係であることを示せます。それが真のBEC形成の証明です。」
BECプラットフォームとしてのマグノン
マグノンはスピン波の量子準粒子であり、物質中の磁気秩序の集団励起である。これらはボソンであり、適切な条件下では、原子がレーザー冷却されてナノケルビン温度の気体中で凝縮するのと同様に、BECに凝縮できる。違いは、マグノンBECは室温で、かつ固体結晶内部で動作するため、実験へのアクセスがはるかに容易である点だ。
研究チームは、異常に低い磁気減衰（磁性材料として既知で最低）を持つ合成フェリ磁性ガーネットであるYIGの2.1マイクロメートル厚の薄膜を使用した。彼らはマイクロストリップアンテナを介して7.8ギガヘルツの1マイクロ秒マイクロ波パルスでこの薄膜をポンプし、281ミリテスラの磁場を印加した。各パルスの後、薄膜内のマグノンは四マグノン散乱過程を通じて熱化し、ポンプ出力が約21 dBmの閾値を超えると、マグノンスペクトルの底部でコヒーレント状態に凝縮した。
決定的な革新は検出方法にあった。すなわち、サイクル平均をとらずに一発測定で歳差運動する磁化の瞬時位相を計測するIQミキサーである。これにより、個々の凝縮イベントの位相情報が保存される。
位相の出現
三つの観察結果が自発的対称性の破れを確認している。第一に、凝縮体の位相は1,000回の独立した実験実行にわたって0から2πの間に一様分布している。ポンプ位相は固定されており、毎回同じであるが、マグノン位相はランダムであり、外部から課されたものではないことを示している。
第二に、出現は急激である。約21 dBm以下のポンプ出力ではコヒーレンスは現れない。この閾値を超えると、コヒーレンス指標は約0.9まで急上昇する——これは古典的な相転移のシグネチャである。
第三に、いったん形成されると、凝縮体はマグノン密度がノイズフロア以下に減衰するまでその位相を維持する。位相の乱れはなく、状態はその全寿命にわたって安定である。
「これは準粒子BECにおけるU(1)対称性の破れの決定的な確認です」と、上席著者の一人であるゲオルク・フォン・フライマン氏は述べる。「位相はポンプによっても、幾何形状によっても、結晶によっても決定されません。毎回新たに、自発的に選ばれるのです。」
重要性
この実験はBEC物理学における長年のギャップを埋めるものである。空間的な位相差は干渉実験で観測されており、二次コヒーレンスは間接的に測定されていた。しかし、インコヒーレントな状態から大域的位相が出現することの直接的な時間領域観測は、原子、エキシトン＝ポラリトン、マグノンのいずれのBEC系でも達成されていなかった。
この結果はまた、準粒子BECが非平衡・散逸系であるにもかかわらず、原子BECと同じ基本コヒーレンス物理に従うことを検証している。これには実用的な意味合いがある。マグノンBECは室温かつマイクロ波周波数で動作するため、位相ベースの情報処理やマグノン超電流デバイスのプラットフォームとして有用である可能性がある。
いくつかの注意点がある。マグノンBECは非平衡凝縮体であり、連続ポンピング下でのみ存在するため、平衡状態の原子BECとは異なる。測定は誘導的であり、波動関数の直接的な量子測定ではなく、アンテナが薄膜を平均化する空間フィルターとして機能する。それでも、観測結果は明白である。位相は無から出現し、系自身によって選ばれるのである。
雅子 訳
Source: Koster, M., Schweizer, M.R., Noack, T. et al. “Emergence of phase coherence in a magnon Bose-Einstein condensate.” Nature Physics (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03373-6