新しい二重スリット実験-「波動/粒子の二重性」の不可思議を解明するために-

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2018年1月17日

理化学研究所,大阪府立大学,株式会社日立製作所

要旨

理化学研究所(理研)創発物性科学研究センター創発現象観測技術研究チームの原田研上級研究員、大阪府立大学大学院工学研究科の森茂生教授、株式会社日立製作所研究開発グループ基礎研究センタの明石哲也主任研究員らの共同研究グループ※は、最先端の実験技術を用いて「波動/粒子の二重性[1]」に関する新たな3通りの干渉[2]実験を行い、干渉縞[2]を形成する電子をスリットの通過状態に応じて3種類に分類して描画する手法を提案しました。

「二重スリットの実験[3]」は、光の波動説を決定づけるだけでなく、電子線を用いた場合には波動/粒子の二重性を直接示す実験として、これまで電子顕微鏡を用いて繰り返し行われてきました。しかしどの実験も、量子力学が教える波動/粒子の二重性の不可思議の実証にとどまり、伝播経路の解明には至っていませんでした。

今回、共同研究グループは、日立製作所が所有する原子分解能・ホログラフィー電子顕微鏡[4]を用いて世界で最もコヒーレンス[5]度の高い電子線を作り出しました。そして、この電子線に適したスリット幅0.12マイクロメートル(μm、1μmは1,000分の1mm)の二重スリットを作製しました。また、電子波干渉装置である電子線バイプリズム[6]をマスクとして用いて、電子光学的に非対称な(スリット幅が異なる)二重スリットを形成しました。さらに、左右のスリットの投影像が区別できるようにスリットと検出器との距離を短くした「プレ・フラウンホーファー条件[7]」での干渉実験を行いました。その結果、1個の電子を検出可能な超低ドーズ(0.02電子/画素)条件にて、非対称な形状の二重スリットを通過した電子線の干渉縞の強度分布を、検出器に到着する個々の電子の個数分布として検出しました。この手法を3通りの実験で行うことで、強度分布を、左側のスリットを通過した電子、右側のスリットを通過した電子、両方のスリットを同時に通過して干渉縞を形成した電子の三つに分類し描画できました。この結果は、干渉に寄与した電子のみを検出できる可能性を示しており、両方のスリットを同時に通過して干渉縞を形成した電子を分類する究極の実験「which-way experiment[8]」への手がかりを得る結果といえます。

共同研究グループは今後、電子検出器の時間分解能を上げるなど現在の電子線技術をさらに発展させ、量子力学の根幹に迫りたいと考えています。

本研究は、英国のオンライン科学雑誌『Scientific Reports』(1月17日付け:日本時間1月17日)に掲載されます。

※共同研究グループ

理化学研究所 創発物性科学研究センタ- 創発現象観測技術研究チーム
チームリーダー 進藤 大輔 (しんどう だいすけ)
上級研究員 原田 研 (はらだ けん)

大阪府立大学 大学院工学研究科 マテリアル工学専攻
教授 森 茂生 (もり しげお)

株式会社日立製作所 研究開発グループ 基礎研究センタ
主任研究員 明石 哲也 (あかし てつや)
主管研究長 品田 博之 (しなだ ひろゆき)

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