光の「粒子」と「波動」を同時に可視化、世界で初めて成功

波と粒子の性質の両方を捉える超高速電子顕微鏡　Photo: Fabrizio Carbone / EPFL

光には「粒子」でも「波」でもあるという二重の性質があり、そのような性質をもつミクロの物質（素粒子、電子、原子、分子など）のことを「量子」と呼ぶ。この極小物質のふるまいは、ある意味とても直感に反するものだが、かの有名な二重スリット実験でも、光の二重性が確かめられている。発射されたひとつの粒子は、2つのスリットのどちらかを通過し、次の表面に「点」として着弾するが、これを何度も繰り返して合計すると、粒子の着弾の確率分布が干渉し合う波さながらに干渉縞を描くのだ。

問題は、粒子と波動、その両方の性質を、誰も同時に観測したことがないということである。そもそも量子が粒子のようにふるまうか、波のようにふるまうかは、観測方法によって変わる。しかし、それが粒子とも波ともつかぬ量子というものであり、この二重性の解釈は研究者らの頭を悩ませてきた。

このたびスイス連邦工科大学ローザンヌ校（EPFL）の研究チームは、ある実験方法により、粒子と波動の二重性を一度に可視化することに世界で初めて成功した。

通常、物質の撮影には光が必要とされるが、今回の実験のひねりは、その光自体をどうやって被写体とし、写し出すかというところに焦点があてられている。EPFLのファブリジオ・カルボーネ博士率いる研究チームは、光の二重性の可視化に「電子」を媒体として用いたのだ。

実験ではまず、極小の金属製ナノワイヤーにレーザーパルスを当て、ワイヤー内の荷電粒子にエネルギーを加えて振動させた。この電磁波──つまり光は、まるで道路の対面通行のようにナノワイヤーに沿って二方向に流れ、これら逆向きの波が重なり合うことで定常波をつくりだす。ナノワイヤーを囲うように放射されるこの定常波こそが、今回の実験の光のソースとなるものであり、光の「波」としての性質を表すものだ。

次に研究者らは、ナノワイヤーに向けた電子ビームを至近距離から発射し、光の定常波に干渉させた。電子はナノワイヤーに沿う光子（つまり「粒子」としての性質）にぶつかり合って、これらを加速したり減速したりする。これらのスピード変化は、電子と光子の衝突で交換されるエネルギーの“&パケット#8221;（または量子）として表現され、その位置を超高速電子顕微鏡でとらえることで、光の波（定常波）と、その中に存在する個々の光の粒子が一度に可視化できるというわけなのだ。

つまり、集合体としての光には、粒子に近いもの、波に近いもの、またはそのどちらともつかないものなど、さまざまな状態の光子が混在している。

今回の実験では、波のようにふるまう光の集合体のなかに電子を衝突させることで粒子としてふるまう光子を見つけだし、波と粒子を一度に画像におさめることに成功したという、ひとつの実験で量子の二重性を確認する素晴らしいアイデアなのだ。これは、川波の表面から個々の水分子の運動を知るのは不可能でも、染料を加えた細かい粒を大量に投入することで、粒子と波が同時に見えるという例えを想像してもらえればわかりやすいかもしれない。

量子物理学のブレイクスルーとなるこの実験の詳細は、「Nature Communications」でオープンジャーナルとして公開されている。

「この実験は、相反する性質をもつ量子力学を直接撮影できることを示した、初めてのデモンストレーションです」と、カルボーネ博士は述べる。「量子的現象をナノスケールでコントロールし、可視化することは、量子演算の分野に新たな道を開くことになるでしょう」