量子技術に向けたカイラル力
沖縄科学技術大学院大学（OIST）の光・物質相互作用ユニットと量子システム研究ユニットの物理学者のチームが、原子間のカイラル力を計算する方法を発見しました。原子間のカイラル力とは、光ナノファイバーと呼ばれる、直径数十から数百ナノメートル程の中空のパイプの近傍に存在する一つの原子が示す力のことです。研究者らは、今回の発見を原子物理学と量子光学の分野に応用するだけでなく、量子技術の開発にも役立てたいと考えています。量子レベルの粒子への力を細かく制御することは、例えば、微小な測定量を非常に高い精度で測定できる量子センサーの構築に非常に重要です。本研究はPhysicalReview A誌に掲載されました。
原子は正電荷を帯びた原子核とその周囲を異なる軌道で廻る負電荷を帯びた電子群で構成されています。電子の軌道のサイズは、その原子が持つエネルギーの異なる状態を意味します。原子核から電子が離れれば離れるほど、その原子が持つエネルギーは高くなります。原子の電子群が光にさらされると、電子群はより大きな軌道に移行し、その原子を励起状態にします。ところが、原子の励起状態というものは長くは続かず、余分なエネルギーはまもなく光の形で放出されます。この状態が発生すると、原子は放出された光の粒子からの反動を受けます。ちょうど発射した銃からの反動のように、原子は放射された光粒子から、放出された光の反対方向に押される力を受けるのです。
通常、原子はランダムな方向に光を放出するので、反動力は数多くの事象を合わせて平均化したものとなります。しかし、電子が光ナノファイバーの近くに置かれると、このような挙動は変化します。光ナノファイバーは、標準的なシリカ・ナノファイバーを加熱し、薄く伸ばして作製される特殊な材料です。実際には、最終的な状態では、光が材料の内部を移動するにはあまりにも材料が薄いため、原子によって放出された光は材料の外側の表面に沿って移動します。そして材料表面に近接して配置された原子は、理論上は、この光と相互作用することができるのです。「ナノファイバーに光を投入した場合、それは私たちが見る他のすべての光とは非常に異なるものとなります。」と、光・物質相互作用ユニットのシーレ・ニコーマック教授と共著者たちは説明しています。「光の波は、ビーム方向に振動を開始します。このようなことは通常起こりません。この現象は、通常と異なる形での原子と光の結合を可能にし、最終的には、カイラル力を導くのです。」と、同教授は付け加えました。このしくみにより、原子は明確に定義された方向のみの力を受けるのです。
OIST研究者らは、このカイラル力を計算、探求し、現在は量子工学のアプリケーションを開発するため、その成果を利用しています。「原子の動きを制御する根本的に新たな方法は、我々に大きな柔軟性を与え、以前には不可能だった量子デバイスについて考えることが可能になっているのです」と、論文筆頭著者であるファム・キエン博士は述べています。研究者らの次のプロジェクトは、例えば、重力を測定する際に、既存のものよりも正確に測定できる新しい干渉計のアイディアを発案することです。この研究に基づいた干渉計を用いて、鉱物が多く埋蔵されている場所を見つけたり、地下にある配管場所を特定して道路建設を簡素化するなど、より実用的な目的で将来使用されることも期待しています
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