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-

ad
ad

 

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)

背景

19世紀初頭に行われたヤングの「二重スリットの実験」は、光の波動説を決定づけるだけでなく、電子のような粒子を用いた場合には量子力学の基礎である「波動/粒子の二重性」を示すことが、20世紀半ばにファインマンにより提唱されました注1)。“電子は粒子であるが同時に波動でもあり、1個の電子が二つのスリットを同時に通り抜けたときには干渉する”という不可思議な実験です。ファインマンの時代には「量子力学の真髄を示す思考実験」という位置づけでしたが、科学技術の発達に伴い、ハイゼンベルグが提唱した「不確定性原理[9]」を検証する実験として、さまざまな粒子(光子、電子、原子、分子など)や手法を用いて繰り返し行われてきました。

この背景には、“1個の電子が両方のスリットを通過した”という実験結果の解釈が、通常の感覚とかけ離れていることが挙げられます。多くの研究者が、“電子が粒子であるならば、その伝搬経路を見いだしたい”と考えるのでしょう。しかし、量子力学は不確定性原理によって、粒子と波動の確定的な同時計測を許していません。そのため、これまでの実験は伝搬経路を見いだしたのではなく、波動/粒子の二重性の不可思議を実証する実験にとどまっています。

注1)『ファインマン物理学(第5巻 量子力学)』 (岩波書店、1967年)

研究手法と成果

今回、共同研究グループは、検出された電子がどちらのスリットを通過したのか解明すること、少なくとも解明のための手がかりや道筋を見いだすことを目標として、実験を行いました。実験では、世界最先端の電界放出形電子顕微鏡[4]と直接検出カメラ、集束イオンビーム(FIB)加工装置[10]などを用い、さらに電子顕微鏡の電子光学系にも工夫を施して、「新しい二重スリット実験」を行いました。その結果、左右のスリットのうち“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することができました(図1)。

具体的には、まずFIB加工装置を用いて、厚さ1マイクロメートル(μm、1μmは1,000分の1mm)銅箔にスリット幅0.12マイクロメートルの二重スリットを作製しました(図2)。そして、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(加速電圧1.2 MV、電界放出電子源)を用いて、世界で最もコヒーレンス度の高い電子線(電子波)を作り、電子が波として十分にコヒーレントな状況で両方のスリットを同時に通過できる実験条件を整えました。

その上で、電子がどちらのスリットを通過したかを明確にするために、電子波干渉装置である電子線バイプリズムをマスクとして用いて、スリット幅が異なる、電子光学的に左右非対称な形状の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」を実現しました。そして、単一電子を検出可能な直接検出カメラシステムを用いて、1個の電子を検出できる超低ドーズ条件(0.02電子/画素)で、個々の電子から作られる干渉縞を観察・記録しました。

図3に示すとおり、上段の電子線バイプリズムをマスクとして利用し片側のスリットの一部を遮蔽して幅を調整することで、光学的に非対称な幅を持つ二重スリットとしました。そして、下段の電子線バイプリズムをシャッターとして左右のスリットを交互に開閉して、左右それぞれの単スリット実験と左右のスリットを開けた二重スリット実験を連続して行いました。

図4には非対称な幅の二重スリットと、スリットからの伝搬距離の関係を示す概念図(干渉縞についてはシュミレーション結果)を示しています。今回用いた「プレ・フラウンホーファー条件」は、左右それぞれの単スリットの投影像は個別に観察されるが、両方のスリットを通過した電子波の干渉縞(二波干渉縞)も観察される、という微妙な伝搬距離を持つ観察条件です。

実験では、超低ドーズ条件(0.02電子/画素)とその1,000倍の高ドーズ条件(20電子/画素)でプレ・フラウンホーファー干渉縞を記録しました(図5)。すると、非対称な幅の左右それぞれのスリットからのフラウンホーファーパターンに加えて、二波干渉による周期の細かい縞模様が記録されました。

高ドーズ条件で記録したプレ・フラウンホーファー干渉縞は、両スリットを通過した電子の到達する確率分布を示します(図5b)。そこで、この高ドーズ条件と超低ドーズ条件で記録した個別の電子像から、両方のスリットを通過したと考えられる電子を同定できました。これにより、下段の電子線バイプリズムを用いて個別に記録した、それぞれの単スリットを通過した電子像と二重スリットを同時に通過した電子像から、プレ・フラウンホーファー干渉縞の強度分布を電子の個数分布として、①左側の単スリットを通過した電子、②右側の単スリットを通過した電子、③両方のスリットを通過した電子の3通りに分類して描画できました(図1)。

今後の期待

今回の実験により、量子力学の基礎である波動/粒子の二重性を解明する手がかりを得たと考えています。今後、さらに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ることで、不確定性原理と干渉現象との関係を実験的に捉えるなど、量子力学の根幹に迫りたいと考えています。

原論文情報

  • Ken Harada, Tetsuya Akashi, Kodai Niitsu, Keiko Shimada, Yoshimasa A. Ono, Daisuke Shindo, Hiroyuki Shinada, and Shigeo Mori, “Interference experiment with asymmetric double slit by using 1.2-MV field emission transmission electron microscope”, Scientific Reports, doi: 10.1038/s41598-018-19380-4

発表者

理化学研究所
創発物性科学研究センター 量子情報エレクトロニクス部門 創発現象観測技術研究チーム
上級研究員 原田 研 (はらだ けん)

タイトルとURLをコピーしました