東大など、電子波の位相変化は人工原子の内部構造を反映することを実証

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本研究で用いた二経路干渉計の模式図(メインの図)とマッハツェンダー干渉計(右上図)

東京大学、理化学研究所および産業技術総合研究所などによる研究グループは2017年11月22日、電子波の位相変化が人工原子(電子を閉じ込めるnmサイズの空間)の内部構造を反映することを実証したと発表した。高精度な位相測定により、20年来の電子の散乱位相の問題に決着をつけている。

電子は粒子と波の性質を併せ持ち、波としての性質は干渉実験によって捉えることができる。電子の波が散乱体によって散乱されることを利用して、散乱体の内部構造を調べることができるとされ、例えば、電子が人工原子を通り散乱されて生じる位相のずれは、人工原子内部の軌道の形に依存して振る舞いを変えることが理論的に予測されていた。

しかし1997年に、電子を10個以上内包する人工原子による散乱で生じる位相のずれが、電子数を1変化させるごとに元に戻るという、軌道に依存しない普遍的な振る舞いが報告され、その起源が未解決のまま現在に至っていた。

同研究グループでは、これまでの研究で、独自の二経路干渉計を開発し、電子波の位相のずれを精密かつ信頼性高く測定できることを示していた。今回の研究ではさらに、新たに架橋構造により制御性を高めた二経路干渉計を開発。その片方に人工原子を組み込み、原子内の電子数を1個単位で変化させながら、電子波の位相変化を観測した。

今回の研究では数十から数百個の電子を含む人工原子について調べられた。その結果、人工原子内の電子数が1個変わるごとに、先行実験と同じく位相にπの跳びが現れて位相が元に戻る場合と、位相が滑らかに積み上がる場合の2つの異なる振る舞いが観測され、先行実験とは一致しない結果となった。

さらに、人工原子の対称性を変化させるなど詳細な実験を行うことで、現実的な実験系で正しい測定を行えば普遍的な位相変化は観測され得ないことを示し、人工原子によって散乱された電子波の位相のずれが、当初の理論予測通りに内部の電子軌道の形に依存することを明らかにした。

今回の成果は、理論と実験結果との不一致という問題を解決するとともに、位相測定が人工原子の内部構造を探る方法として有用であることを示すものだ。同研究グループでは、この技術がさまざまな物理現象の解明のほか、電子波の位相を情報のリソースとする量子情報デバイスなどにも利用できるとしている。

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