「極小の二重スリット」で隣り合う原子の揺れを観測 ~ヤング実験の1000万分の1、半導体の放熱設計貢献に期待~

2026-08-20 科学技術振興機構,東京大学

東京大学の研究グループは、シリコン中で隣り合う原子列を「二重スリット」に見立て、原子スケールで電子の干渉を観測する新しい計測手法を開発した。走査透過電子顕微鏡(STEM)で直径を細く絞った電子線を、136 pm離れた2本のシリコン原子列の間に入射し、電子が作る干渉縞から隣接原子の振動状態を読み取ることに成功。これは約200年前のヤングの二重スリット実験を約1000万分の1まで縮小した規模に相当する。さらに、原子の振動の協調性から原子間結合の強さやフォノン(格子振動)に関する情報を得られることを示した。原子レベルの熱伝導を解析する新たな手法として、半導体の発熱箇所の特定や放熱設計、熱を効率的に利用する新材料の開発への応用が期待される。

「極小の二重スリット」で隣り合う原子の揺れを観測 ~ヤング実験の1000万分の1、半導体の放熱設計貢献に期待~
図1 原子スケール二重スリット干渉の概念図

<関連情報>

収束電子プローブによる原子スケール二重スリット干渉計測 Atomic-scale double-slit interferometry with a focused electron probe

Koudai Tabata,Takehito Seki,Toma Susi,Ryo Ishikawa & Naoya Shibata
Mature  Published:19 August 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-026-10914-9

Abstract

Since Young’s original work with light1, double-slit interference experiments have been paradigmatic demonstrations of wave–particle duality2,3,4,5,6. They now underpin modern electron, neutron, atom and molecule interferometers, whose fringe visibility and phase encode quantitative information about both the wave and the diffracting object. Extending this to atomic length scales would offer direct, local access to microscopic structure and dynamics, but has remained unexplored. Here we show that double-slit interferometry can be realized at atomic scales inside a crystal. Using scanning transmission electron microscopy (STEM), we demonstrate the generation of interference fringes with a focused electron beam that is delocalized over two adjacent Si [110] atomic columns separated by 1.36 Å. At finite temperature, these two atomic ‘slits’ vibrate strongly, imprinting their motion on the fringes. The fringes persist from 300 K to 900 K, indicating that only a subset of phonon modes degrades visibility; correlated thermal vibrations between neighbouring atoms preserve coherence that independent motion would otherwise destroy. Quantitative analysis of this preserved visibility provides direct experimental access to vibrational correlations between a pair of atomic columns. These correlations map to the anisotropic stiffness of the specific atomic bond, giving access to the low-energy phonon dynamics that affect thermal transport. By recasting crystals as atomic-scale interferometers, this platform enables direct visualization of local atomic arrangements and their correlated dynamics, opening routes to examine lattice dynamics at the single-bond level.

1701物理及び化学
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