フェルミ凝縮の物理的性質と歴史的発見

フェルミ凝縮（英: fermionic condensate）とは、フェルミ粒子によって低温環境下で形成される超流動相の一種である。ボース粒子によって形成されるボース＝アインシュタイン凝縮（BEC）と密接に関連しているが、構成粒子がフェルミ粒子である点が決定的な違いとなっている。

超流動とBCS理論の基礎

フェルミ粒子の超流動状態を作り出すことは、パウリの排他原理の存在によりボース粒子よりも困難である。パウリの排他原理により、複数のフェルミ粒子は同じ量子状態を占有することができないためである。

しかし、1957年にジョン・バーディーン、レオン・クーパー、ロバート・シュリーファーによって提唱されたBCS理論により、電子などのフェルミ粒子が特定の低温下でクーパー対と呼ばれる束縛状態を形成し、エネルギーを消散することなく流動する仕組みが明らかにされた。これが超伝導や超流動の基礎となっている。

歴史的発見

原子を用いたフェルミ凝縮の実験的生成は2003年に達成された。JILAのデボラ・S・ジンらの研究グループは、カリウム40のフェルミ原子を用いて、極低温下で世界初となるフェルミ凝縮の生成に成功した。

主な具体例

• 超伝導体における電子対: 金属中の電子がクーパー対を形成し、電磁ゲージ対称性を破ることで超伝導状態が生まれる。
• 量子色力学（QCD）におけるカイラル凝縮: クォークの質量起源や真空の性質に関与する現象。
• ヘリウム3の超流動: 極低温下でヘリウム3原子がクーパー対を形成して超流動化する現象。