直感に反しますが、真実です! 3 つの驚くべき量子効果、いくつ聞いたことがありますか?

物理学では、生活によくあるドップラー効果や有名な光電効果、今年よく検索された超伝導のニュースの背景にあるマイスナー効果など、極めて重要な効果が数多くあります。次に、非常に奇妙に聞こえるが実際に存在する量子物理学の分野からの 3 つの効果についてお話ししたいと思います。

量子トンネル効果

2023年のノーベル物理学賞に注目していたら、次のような文章を読んだことがあるかもしれません。「電子が狭いポテンシャル障壁にのみ閉じ込められている場合、量子力学により、電子はトンネルを通り抜けて脱出することができます。」ここでの「トンネル効果」とは、量子力学における「量子トンネル効果」を指し、これは私が皆さんにお伝えしたい最初の魔法の効果でもあります。

バスケットボールを壁に向かって投げれば、間違いなく跳ね返ってきます。これは常識です。しかし、このバスケットボールを電子に置き換え、この壁を微視的世界の「壁」、つまり量子ポテンシャル障壁に置き換えたらどうなるでしょうか?量子力学によれば、電子は「壁を通過する」一定の確率を持っています。この奇妙な現象は量子トンネル効果です。

量子トンネル効果により、粒子はポテンシャル障壁を通過できるようになります。 (写真/インスブルック大学/ハラルド・リッチ)

実際、電子が通過するのは、バスケットボールが遭遇するような高密度の固体壁ではなく、電子の自由な動きを制限する一連の電位障壁です。電子は波のように振る舞うため、量子トンネル効果が可能になります。量子力学はすべての粒子に波の特性を与え、波が障害物を貫通する確率は常に有限です。

物理学者たちはすぐに、粒子がトンネルを掘る能力が多くの謎を解くことができることを発見した。さまざまな化学結合と放射性崩壊について説明し、太陽の水素原子核が反発力を克服して融合し、ヘリウムを形成して光子を放出する仕組みについても説明します。

量子トンネル効果はほぼ 100 年前に発見されましたが、物理学者は量子トンネル効果のプロセスの詳細を完全には理解していません。たとえば、物理学者はトンネル現象が瞬時に起こるのか、それとも時間がかかるのかまだ確信が持てません。 2019年3月18日、ネイチャー誌に掲載された研究によると、水素原子では電子が1.8アト秒以内に原子から抜け出すことができることが示されました。これは非常に短い時間であり、トンネル形成プロセスがほぼ瞬時に発生することを意味します。しかし、2020年7月22日にネイチャー誌に掲載された別の研究では、原子がレーザーバリア内に約0.61ミリ秒間留まった後、反対側から「飛び出す」ことが示されました。これは、量子トンネル効果の持続時間がゼロではなく、障壁の厚さと原子の速度によって原子が障壁内に留まる時間が決まることを意味します。

物理学者はまだ詳細をすべて解明しているわけではありませんが、量子トンネル効果は、量子コンピューティング、走査型トンネル顕微鏡などのいくつかの技術の基礎として長い間使用されてきました。

アハラノフ・ボーム効果

次に、あまり聞き慣れないかもしれない2番目の効果、アハラノフ・ボーム効果についてお話しします。

古典的電磁気学では、電場と磁場はすべての物理的効果の原因となる基本的な実体です。たとえば、小さな粒子は、電界または磁界と直接接触している場合にのみ、加速、減速、回転などの電界の影響を受けます。
電磁場は、空間のどこにでも値を持つ電磁ポテンシャルと呼ばれる量によって記述できます。電磁場は電磁ポテンシャルから導き出すことができます。しかし、電磁ポテンシャルの概念は、物理的な意味を持たない純粋に数学的な概念であると常に考えられてきました。

しかし、量子物理学では、物事は面白くなり始めます。 1959年、ヤキル・アハロノフとデイヴィッド・ボームという2人の理論物理学者が、電磁ポテンシャルと測定可能な結果を​​結び付ける思考実験を提案しました。この思考実験では、電子ビームが 2 つの経路に分割され、コイル内に閉じ込められた磁場を持つ円筒形のソレノイド コイルの両側を周回します。したがって、これら 2 つの電子経路は、場が存在しない領域を通過できますが、場が存在しないこの領域の電磁ポテンシャルはゼロではありません。

アハラノフ・ボーム効果は量子力学的効果です。この効果では、粒子が磁場を含む領域の周りを移動すると、粒子が通過するすべての場所で磁場がゼロであっても、その位相が変化します。 （写真/E.コーエン他）
アハロノフとボームは、これら 2 つの異なる経路上の電子が異なる位相変化を経験し、これら 2 つの経路上の電子が再結合すると、検出可能な干渉効果が生じる可能性があることを理論的に実証しました。位相の変化は磁場の強さから計算できるため、干渉は電子が実際には磁場を直接通過しないという効果として解釈できます。現在、アハラノフ・ボーム効果は多くの実験によって検証されています。

興味深いことに、2022年1月にサイエンス誌に掲載された新しい研究では、アハラノフ・ボーム効果が磁場だけでなく重力にも適用されることが示されました。

量子ホール効果

最後に、言及したい 3 番目の効果は、凝縮物質物理学における非常に重要な発見、つまり量子ホール効果です。

電流が金属ストリップを通過するときに、電流の方向に対して垂直に測定すると、通常はストリップの両端の電位に差がないことがわかります。しかし 1879 年、当時 24 歳だったエドウィン ホールは、磁場が金属片の平面に対して垂直に作用すると、電子が片側に偏向し、金属片の両側に電位差が生じることを発見しました。この現象はホール効果と呼ばれます。ホールの発見からわずか1年後、彼は強磁性体において、外部磁場がなくてもホール効果が観測できることを発見しました。これは異常ホール効果と呼ばれます。

1970 年代後半までに、研究者は半導体材料を使用して、低温 (絶対零度に近い) および強磁場 (約 30T) の条件下でのホール効果を研究し始めました。低温半導体材料では、電子は大きな移動度を持ちますが、2次元平面内でしか移動できません。この幾何学的制約は多くの予期せぬ効果をもたらしますが、その 1 つはホール効果の特性の変化であり、これは磁場の強度によるホール抵抗の変化を測定することで観察できます。

1980年、ドイツの物理学者クラウス・フォン・クリッツィングは、同様の実験条件下で、ホール抵抗が予想されたように磁場の強度の変化とともに滑らかに徐々に増加するのではなく、量子化された方法で段階的に増加することを発見しました。フォン・クリッツィングは、この場合、ホール抵抗の値は 2 つの基本定数 (1 つはプランク定数 h、もう 1 つは電子電荷 e) に関連しており、この 2 つの定数で構成される量子物理量と指数的に関連していることに気づきました。フォン・クリッツィングが発見したのは整数量子ホール効果であり、これは凝縮物質物理学の全分野の中で最も重要かつ基本的な量子効果の 1 つです。この発見により、フォン・クリッツィングは1985年にノーベル物理学賞も受賞した。

整数量子ホール効果（画像/パブリックドメイン）

フォン・クリッツィングが整数量子ホール効果を発見してからわずか 2 年後、実験物理学者のホルスト・シュテルマーとダニエル・ツィーは、さらに不可解な現象を発見しました。低温と強い磁場では、ホール伝導度が以前に観測された結果の分数倍で量子化されることを発見したのです。それはあたかも、電子が何らかの形で小さな粒子に分裂し、それぞれの粒子が電子の電荷の一部を持っているかのようです。 1998年、シュトロマーとツイは理論物理学者のロバート・ラフリンとともに、分数量子ホール効果に関する研究によりノーベル物理学賞を受賞した。

先ほど、ホールが異常ホール効果を発見したと述べました。では、外部磁場を必要としない量子ホール効果、つまり量子異常ホール効果 (QAHE) も存在するのでしょうか?答えはイエスです。しかし、量子異常ホール効果を実験的に観察するには、材料に対して極めて高い要件が課せられます。この材料は、次の 3 つの条件を同時に満たす必要があります。まず、材料は強磁性である必要があります。第二に、材料の内部は絶縁されていなければなりません。 3 番目に、材料内の電子構造はトポロジカルでなければなりません。つまり、量子異常ホール効果を実験的に実現するのは非常に難しいということです。 2013年、薛其坤と彼のチームは、Crドープ(Bi,Sb)₂Te₃膜における量子異常ホール効果の観測に初めて成功しました。 2023年10月24日、薛其坤氏はトポロジカル絶縁体の研究とトポロジカル絶縁体における量子異常ホール効果の発見により、凝縮系物理学の分野における最高賞であるバックリー賞も受賞した。

参考文献:

https://www.nature.com/articles/122439a0

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1028-3

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2490-7

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl7152

この記事は、科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けた作品です。

チーム: プリンシパル

査読者: 羅慧謙、中国科学院物理研究所研究員

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司