﹁新しい﹂
物
理学

量子力学

光を自在に曲げる。液体が「下から上へ」流れる・・・。20世紀には私たちの常識では計り知れない様々な物理現象が発明・発見されました。それは，木から落ちるリンゴを見て万有引力を発見したニュートンによる「古典物理学」とは全く異なる「新しい」物理学なのです。
「量子力学」といわれるこの新しい物理学の研究はまだ始まったばかり。無限の可能性を秘めた分野でもあります。

レーザー冷却原子のボース・アインシュタイン凝縮：巨視的量子現象の本質に迫るレーザー冷却法を用いて，希薄原子気体のボース・アインシュタイン凝縮体を作り出すことができるようになりました。これを用いて巨視的量子現象が観測でき，量子力学の本質に迫る興味深い研究が展開されています。

ボース・アインシュタイ
ン凝縮とは？

ボース・アインシュタイ
ン凝縮の検出
ボース凝縮体にレーザー光を照射し，それをCCDカメラを用いて観察す

物
理原子
数分
布

ることで，凝縮体がどのような空間分布をしているかを測定することができ
高温：原子はランダムに熱運動をしてます。

速度大（負）

速度ゼロ

速度大

飛行時間法と組み合わせることで凝います。

縮体がどのような速度分布をしているかを知ることができます。上図の中央部分の非常に低速度（低温）の集団がボース凝縮体です。
低温：レーザー冷却法により低温になった原子では，波動性が顕著に表れます。

ボース・アインシュタイン凝縮を用いた様々な研究
レーザー冷却原子のボース凝縮体ます。また光との相互作用においては，レーザー光や磁場を用いて多様は，光の波の増幅と同様に，物質波に操作することが可能です。例えば，が増幅される効果が興味深い形で現磁場によって閉じ込めていた凝縮体れます（超放射）。さらに，原子間相

極低温：さらに冷却されるとお互いを，自由空間に開放することができ，互作用を斥力から引力にスイッチし，の波が重なり合い，純粋に量子力学

これを原子レーザーと呼んでいます。

凝縮体が崩壊する現象（BOSENO-的な相転移が起きます。これがボー

これは，原子の波がレーザー光のよVA) や格子状に並んだ多数の量子渦

ス・アインシュタイン凝縮(BEC)でうに位相のそろった状態にあり，原生成など基礎から応用にいたる様々す。集団となって巨視的な量子現象

子リソグラフィーや原子を用いた干な分野で精力的に研究が進められてを起こします。

渉計など様々な応用が期待されていいます。

レーザー冷却原子のボース・アインシュタイン凝縮の成功
中性原子気体をレーザー光を用いて数マイクロケルビン程度の極低温に冷却することが可能になりました。このレーザー冷却法などを用いて，アルカリ原子や準安定状態のヘリウム原子，水素原子のBECが達成されています。
日本でも数グループがBECに成功しており，活発に研究が行われています。
上：原子レーザー
右上：超放射右下：量子渦18フォトニック結晶によって「光子」を操る
光は非常に速く，直進し，制御できないものと思われていることでしょう。
しかし今，光の速度を変え，物質中を思うままに曲げ，自在にあやつることが可能になりつつあります。そしてその先には「量子コンピュータ」という夢の光回路が見えてきました。

フォトニック結晶とは物
理

真空中では光子は光速で伝播し，物

フォトニック結晶は複数の誘電体をフォトニック結晶（Photonic crystal）

質中では屈折率の分だけ光速は遅くな

光の波長程度の周期で交互に積層したと呼ばれます。３Dでは，通常の結晶ります。通常，物質境界面での屈折現構造物であり，積層の次元により１次のように，面心立方格子やダイヤモン

象やプリズムは物質の屈折率の違いに元（1D），２次元（2D），３次元（3D）ド格子等の構造が作成されています。

よって説明できます。ところがフォトニック結晶と呼ばれる物質中では，光1D速を車の速度ぐらいに遅くしたり，高2D3D効率に光子を閉じ込めたり，自由自在に光子を操れる可能性のあることがわかってきました。

フォトニック結晶のしくみ

フォトニック結晶の中での不思議な現象

フォトニック結晶の大きな特徴の一

フォトニック結晶中では自由空間やつにフォトニックギャップ（Photonic

通常の物質中では実現できない，各種bandgap ）の存在があげられます。自の新現象が期待されます。例えば，フ由空間（Free space )では，光の固有ォトニックバンドギャップの周波数領モードの状態密度D(ω)は光の角周波域に発光波長を持つような原子をフォ数をωに関して下図のように ω の依

トニック結晶中に入れておけば，光の存性がありますが，ある構造のフォト自然放出を制御できる可能性がありまて上図にフォトニック結晶と光ファイニック結晶中の状態密度は下図のようす。また，光の異常な伝播も期待されバーを組み合わせた新しいデバイスになり，光の固有モードの存在しないることから，異常に遅い光伝播やスー（フォトニックファイバー）を示して周波数領域が生じることがわかりま

パープリズムなどの新しい光学現象があります。白い部分はガラス，黒い部す。これは，原子が規則的に配列した次々と発見されています。

分は物質が存在していない穴を表して2通常の結晶中において，電子のエネル

また，下図のように周期性の乱れいます。真ん中の大きい穴の上下方向

ギー準位にバンドギャップが生じる場（欠陥）を導入することで，非常に光に光が伝播しますが，フォトニック結合があるのと同様に波の回折・干渉現電場強度が強い領域をつくることが可晶の性質から弱い光でも非線形な相互象の現れとして理解されます。

能になるために，同じ場所を光が巡回作用が生じて，赤色の振動数の光子がしつづける光の局在現象や高効率な非エネルギーのずっと大きい緑や青の光線形光学現象が観測されています。そ子に変換されて，結果として白色光がういった非線形光学現象の応用例とし観測されています。

線欠陥
点欠陥

フォトニック結晶の展開
フォトニック結晶には，下記のような物理学の基礎分野への応用も考えられています。
●異常ラムシフトなどの電磁量子力学●高効率非線形光学現象●量子コンピュータ●超光速の有無の検証実験

19超流動通常の物質は低温で固化しますが，ヘリウムのように軽い原子は低温で量子効果が顕著に現れ，常圧では絶対零度まで固化しません。さらに絶対零度近くでは超伝導に似た「超流動状態」になります。そこは量子力学が支配する世界です。

「上」に流れる不思議な物質

超流動ヘリウム3の渦を見る

ヘリウム4は2ケルビン程度で超流動

ヘリウム4の同位元素のヘリウム3もなったものなど，いろいろなタイプが状態になります。超流動状態は粘性が1/400 ケルビンという超低温度で超流あります。この量子渦を研究するにはなく，どのような狭い隙間も通ります。

動になります。超流動ヘリウム3の運実験装置自体を回転させないといけま

これは超伝導で電気抵抗がないのと似動も量子力学で支配されます。そこにせん。現在，超低温で測定できる装置できる渦は渦の強さ（循環と言います）は東京大学物性研究所にしかありませがとびとびの値しかとれず，量子渦とん。そこでは超流動ヘリウム3の量子呼ばれます。量子渦には2個がペアに渦の構造を調べています。

超流動ヘリウム3の相図

超流動ヘリウム3のA相を狭い平行平板に入れた時にできることが期待されている渦ています。さらに壁をはい上がるなど，奇妙な性質を示します。これらは全て量子力学で説明されます。

超低温で発現する超流動ヘリウム3には複数の相物理が存在します。相が違うとそこにできる渦の構造も違ってきます。

超流動ヘリウム3にできるとされている渦の計算結果2つの渦が結合したもの(左)や芯のない渦(右)があります。

東京大学物性研究所にある回転クライオ
スタット
1秒間に1回転することができます。データを測超流動ヘリウム4の噴水効果

超流動ヘリウム3A相にできると期待されている芯のない Mermin-Hoの渦定する機器も同時に回転させます。

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