人工原子に話しかけると、原子は何か返事をしてくれるようです。残念ながら、その言葉を聞くことはできません。
スウェーデンのチャルマース工科大学の研究者たちは、実験室で人工原子との交信に成功した。原子に極めて高い周波数の音エネルギーを与えると、原子はそれを音波として返した。この音は人間の耳には聞こえないほど高かったため、研究者たちはハイテクなオーディオ機器でこの音を録音することに成功した。
この吸収と放出の相互作用は、原子が光と相互作用する仕組みと非常によく似ています。光子が原子に十分近づくと、原子はそれを飲み込み、体内に吸収することがあります。しかし、原子はこのエネルギーを長く保持することがあまり得意ではないため、通常は光子の形で放出します。
この概念は量子光学の分野で広く研究されてきましたが、人工原子と音波の間のこのような相互作用を科学者が実証したのは今回が初めてです。サイエンス誌に掲載されたこの研究は、研究者に量子物理学の法則への理解を深めるものであり、将来的には超高速コンピューターの開発に活用されることが期待されています。
もちろん、これらは天然の原子ではなく人工原子が話しているものですが、かなり近いものです。人工原子は、量子力学的な特性を示す小さな電気回路のようなものです。技術的には、複数の原子が集まって一つの大きな原子のように振る舞うものです。研究者は、必要に応じて原子の特性を簡単に変更できるため、研究に人工原子を好んで利用しています。
この実験のために、チャルマース研究所の研究者たちは特殊なマイクロチップ上に人工原子を配置しました。「このマイクロチップのユニークな点は、電気エネルギーを音エネルギーに変換できる結晶であることです」と、研究者の一人であるマーティン・グスタフソン氏はポピュラーサイエンス誌に語っています。そしてその逆もまた同様です。つまり、このデバイスに電気信号が加えられると、それは音波に変換され、チップの表面を波紋のように伝わります。
そして、波が原子に到達すると、原子はエネルギーを吸収して放出し、マイクロチップを通して音波を送り返します。この音波の周波数は約4.8ギガヘルツで、音楽用語でD28、つまりグランドピアノの最高音の20オクターブ上に相当します。その音に達するには、ピアノを右に3メートルほど伸ばす必要があります。
これらの音波は私たちのようなちっぽけな人間には高すぎるものの、実際には光波の10万倍も遅い。そのため、グスタフソン氏は、音波を利用することで量子過程を制御する新たな可能性が開かれると述べています。「つまり、音波が拡散している間に、原子の設定を変更したり、再調整したりできる可能性があるということです」と彼は言います。「光の場合は、非常に速く移動するため、そのような時間はなく、制御を維持するのは困難です。」
さらに、人工原子は使用される音の波長の約20倍の大きさであり、研究者は実験中に原子の特性をより細かく制御できます。
グスタフソン氏によると、現時点では彼らの研究はまだ実社会への応用がなく、この研究はむしろ「好奇心に駆られた研究」だということです。しかし、最終的には、原子が音とどのように相互作用するかを理解することは、研究者たちのより大きな目標、つまり量子力学を支配するという目標に向けた一歩に過ぎません。量子力学とは、微小スケールにおける物理現象を研究する物理学の一分野です。量子力学のいくつかのプロセスは既に超高速コンピューターの開発に利用されていますが、この分野全体は科学者にとって依然として謎に包まれています。
「ここにあるものは、量子力学を私たち自身で制御できるものにするためのツールボックスの中の一つのツールです」とグスタフソン氏は言う。
