国際光の日 |光は無数の光子で構成されていますが、音にもフォノンがあるのでしょうか?

光線には無数の光子が含まれていることは誰もが知っています。では、爆発音にも無数の「フォノン」が含まれているのでしょうか?

ちょっと複雑ですが、こんな感じです...

等！ 「フォノン」というものは存在するのでしょうか?

それは 1932 年から存在しています。

中国研究者による新たな発見

2024年2月、ネイチャーコミュニケーションズ誌は中国科学院物理研究所、国立ナノサイエンス技術センターなどの研究者による研究結果を掲載した。

この図は、3 層グラフェンの 2 つの異なるスタッキング構成 (ABA スタッキングと ABC スタッキング) を示しています。

中国の研究者らは、3層グラフェンのダイヤモンド積層構造を研究した結果、ダイヤモンド積層3層グラフェンでは電子と赤外線フォノンの間に強い相互作用があることを発見した。これは光電子変調器や光電子チップなどの分野への応用が期待されている。

電子とフォノンの結合は、長い間、凝縮系物理学における重要な研究テーマの一つであり、多くの新しい物理現象（低温超伝導など）の理論的基礎でもあります。

今では、フォノンはこの世に存在するだけでなく、多くの新しい物理現象にも関連していることがわかっています。

では、フォノンとはいったい何なのでしょうか?

それは本当に粒子ですか？

それはどのように見えますか?

音や音波との関係は？

…

光子から始まる

フォノンの起源とさまざまな特性をよりよく理解するために、まず光子から始めましょう。

人間は当初、光が光子で構成されているとは考えていませんでした。彼らは単に光は単なる光だと思っていたのです。

今では多くの人が次のように信じています。

音はただの音です。もっと具体的に言えば、音は単なる振動、つまり波です。

音にも無数の「フォノン」が含まれている可能性があるかどうかについて考えた人はほとんどいないでしょう。

その後、古代の哲学者の中には、光は無数の粒子で構成されているかもしれないと考える人もいましたが、これは単なる推測に過ぎませんでした。

これは最も初期の「粒子理論」であり、光が常に直線で進み、反射する理由をうまく説明しています。しかし、2つのビームが衝突した後も分離しない理由は不明だ。

その後、イギリスの物理学者ニュートンは、先人たちの研究に基づいて光の粒子理論を発展させ続けました。彼は、光は光子と呼ばれる小さな粒子で構成されており、光子は質量と速度を持ち、ニュートンの運動法則に従うと信じていました。

1704年、ニュートンの光学に関する著作『光学』が出版され、光の粒子理論の基礎が築かれました。

しかし、この基礎はニュートンの偉大な名声のおかげで得られたものが大きい。なぜなら、1678年にはすでにホイヘンスが光は波であると明確に指摘していたからだ。

1803年、イギリスの物理学者トーマス・ヤングは、光の有名な二重スリット干渉実験を行いました。実験では、光が二重スリットを通過した後、波だけが経験できる干渉現象が発生することを観察しました。

そこでトーマス・ヤングはニュートンの粒子理論に反対する本を書いたが、ニュートンがあまりにも有名だったため、彼の反対は失敗した。

その後、ジェームズ・マクスウェルが登場し、電磁波と光の研究を通じて、真空中の電磁波は一定の速度で伝播し、この速度は光の速度と正確に等しいことを発見しました。マクスウェルは光は電磁波であると結論付けました。

マクスウェルの理論が確立された後、ドイツの物理学者ハインリヒ・ヘルツは、反駁の余地のない実験によって光が電磁波であることを証明しました。

19 世紀全体を通じて物理学が成し遂げた大きな成果の 1 つは、あらゆる光学現象と電磁気現象において波動理論が検証されたことであると言えます。しかし、19世紀の終わりに、説明が難しい物理現象が出現しました。

この説明が難しい現象が「光電効果」です。 1887 年、ヘルツのさらなる実験により、金属電極に紫外線を照射すると電気火花が発生することが発見されました。つまり、光は電気的な効果を生み出すことができます。

光電効果は、1905 年にアインシュタインが光電効果の理論的説明を与えた論文「光の生成と変換に関する刺激的な見解」を発表するまで、波動理論では説明が困難でした。

これに基づいて、アインシュタインは光量子仮説を提唱しました。彼は、光線は光量子と呼ばれる離散的なエネルギー粒子の集合で構成されており、光線は連続波ではないと信じていました。

アインシュタインが提唱した光量子は後に光子と呼ばれるようになりました。

この時点で、光は波であるという見解を支持する人々は、強力な実験的および理論的裏付けを持っていました。

光が粒子であるという意見に同意する人たちには、強力な実験的および理論的裏付けもあります。

ついに、何百年も続いた波動粒子論争は徐々に終結した。

人々は次の事実を認めざるを得なかった。

光は波と粒子の両方の特性を同時に持ち、これを波動粒子二重性といいます。

波動粒子二重性を正しく理解する

海の波は波の一種です。海の波は、無数の点粒子、つまり水分子で構成されているとも考えられます。では光も同じでしょうか？

無数の光子が波を形成し、この波の中で個々の光子は粒子の性質を示します。これは波動粒子二重性ですか?

全くない。

いわゆる波動粒子二重性とは、光子でさえも同時に波であり粒子でもあることを意味します。

光子を点粒子として想像していますが、それは間違いです。

光子を波として想像していますが、それは間違いです。

光子を波と粒子の奇妙な組み合わせとして想像した場合にのみ、それは正しいです。

しかし、疑問は、人間はどうしてそのような怪物を想像できたのか、ということです。はい、ほとんど想像できないですね。想像もできないことですが、

紫がかった白いイチゴ。

小さな蛇は大きな川のよう。

死んでいて生きている猫。

…

これが、「光の波動粒子論争」が何百年も続いた理由の一つです。

あなただけでなく、歴史上の有名な科学者たちも、初期にはそのような怪物を頭の中で明確に構築することが困難でした。

おそらく、多くの人が量子力学を難解で理解しにくいと感じる最大の理由は、次のようなものだと言えるでしょう。

彼らが初めて波動粒子二重性に触れたとき、彼らはそれを自分の認識に完全に統合するのではなく、試験の中でのみ「波動粒子二重性」を使用しました。

凝縮物質理論物理学者の温暁剛はかつてこう言った。「第4の物理学革命は量子革命である。この革命は、我々の世界の実在は粒子でも波でもなく、粒子と波の両方であることを明らかにする。」

これは、光子、原子、電子などの微小な粒子も一種の存在であることを意味しますが、過去に「存在」であると信じられていたのは粒子か波動のどちらかであり、これは明らかに間違いです。

量子力学によれば、それらの真の存在は実際には粒子であり波でもあるということです。この「存在様式」は確かに想像しにくいものですが、これが今日私たちが知っている本当の宇宙なのです。

数十万年かけて進化してきた人間の持つ脳では、微小粒子の真の「存在」を想像するのは難しい。現時点では：

微細粒子の存在の仕方を変えるか、自分自身の認識を変えるかのどちらかです。

明らかに、後者が唯一の方法です。

「波動粒子二重性」を理解するのに役立つ概略図。画像はWikipediaから引用。画像の作者はJean-Christophe BENOIST。

音波の量子化

私たちの認識が変化した今、フォノンを理解することはほぼ自然な進歩となるでしょう。

音は一種の波であり、人間が聞くことができる音波はマクロなスケールのものです。

問題は、マクロスケールで音波が存在するのであれば、ミクロスケールでは音波は存在しないのか、ということです。

あるはずです。微視的スケールの「音波」は一般に「格子波」と呼ばれます。

結晶は、原子、イオン、分子が一定の規則に従って周期的に配列された構造であり、誰もがよく知っています。

結晶内のこの周期的な構造は「格子」と呼ばれます。

アメジストは二酸化ケイ素の結晶である石英の一種です。画像はWikipediaより。

二酸化ケイ素にはさまざまな結晶構造、つまりさまざまな格子があり、石英はそのうちの 1 つにすぎません。その他の格子としては「ラメラ二重層構造」などがあります。

二酸化ケイ素結晶の層状二重層構造、上面図と側面図、画像はWikipediaより。

結晶では格子は周期的ですが、静的ではありません。格子を構成する原子は熱振動を経験します。格子の振動は、結晶内のすべての原子の集合的な弾性振動です。空間周期の観点から見ると波の形をしているため、「格子波」と呼ばれます。

「波」という言葉から、「粒子」を思い浮かべることができます。そうです、格子波の量子化こそが、この記事で解説する「フォノン」なのです。これらは格子熱振動を伝達するエネルギー量子であり、光波を伝達する「光子」に似ています。 1932年、ソビエトの物理学者が初めてフォノンの概念を提唱しました。

フォノンは準粒子である

フォノンはエネルギーを持ち、光子や電子などのように動作します。フォノンは粒子の基本的な特性を持っています。さらに、フォノンは波動特性を持つ二重スリット干渉縞を形成することもできます。光子と同様に、その存在様式も波動粒子二重性です。

しかし、フォノンは原子格子から独立して存在することはできません。真空中ではフォノンは存在しませんが、光子は真空中で存在することができます。

そのため、現在では、フォノンは一般的に「準粒子」の一種として分類されており、その特徴的な動作が似ているため、私たちがよく知っている粒子の「代わり」の一種として簡単に考えることができます。

フォノンは、光子、電子、その他の粒子と同様に、波と粒子の二重の性質を持っています。したがって、それらの存在の本質に違いはありません。

どこに現れるか、どこに現れないかは重要なポイントではありません。異なる粒子は異なる特性を持っているだけであり、重要な点は、それらの存在モードが波動粒子二重性に属するかどうかです。

フォノンは光子や電子ほど一般には知られていませんが、フォノンの研究は凝縮物質物理学の重要な部分です。

「凝縮物質」の分野には、非常に興味深い未知の部分がまだたくさんあるため、凝縮物質物理学は現在、物理学の中で最も活発な分野の一つです。不完全な統計によれば、この分野の研究者は世界中の物理学者のほぼ 3 分の 1 を占めています。

著者：科学技術省の「国家優秀科学普及作品賞」受賞者であり、人気科学ライターのハンム・ディアオメン氏

査読者: 羅慧謙、中国科学院物理研究所研究員

制作：中国科学普及協会

制作：中国科学技術出版有限公司、中国科学技術出版（北京）デジタルメディア有限公司