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量子トンネル現象の秘密を解明 ― Nature Physics

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超高速分光の手法を用いて物理現象を研究する国際チームがこのたび、量子トンネル過程は瞬間的な(instantaneous)ものであることを明らかにしました。
 
この成果について、国際チームのメンバーであるオーストラリア国立大学のAnatoli Kheifets氏は「これほどまでに時間間隔の短い領域の物理現象は、これまでに研究されていませんでした。それは全く新しい世界なのです。」と話しています。
 
非常に小さなスケールの現象を記述する量子力学によると、電子に代表される微小粒子は波のような性質を持ち、その正確な位置は理論的に決定できません。
これは、それらの粒子が古典的には(直感的には)明らかに侵入できない領域に存在しうることを意味します。これが量子トンネル効果です。
 
量子トンネル効果は太陽における核融合走査型トンネル顕微鏡コンピューターに用いられるフラッシュメモリなど、多くの現象において重要な役割を果たしています。
一方で、このような粒子の浸み出しは電子デバイスの小型化を制限する要因でもあります。
 
ここ15年程の間に発達したアト秒(10^-18秒)スケールの超高速実験領域の研究グループに所属するKheifets氏らの研究が行われるまで、光子の入射によって原子がイオン化する際の時間遅れなど、多くのアト秒現象は適切に理解されていませんでした。
 
同研究グループのIgor Ivanov氏の話では、「この理論ではトンネル過程における電子の速度が光速を超えうるという非常に興味深いパラドクスが現れます。しかし、これは特殊相対性理論に反するものではありません。なぜなら、トンネルする電子の速度もまた虚数になるからです。」とのこと。
 
スーパーコンピューター「雷神」を用いた彼らの計算によって、光イオン化現象における時間遅れは量子トンネル効果によるものではなく、原子核のつくる電場によって電子が引き留められることが原因であるとわかりました。
 
この結果は今後のアト秒領域実験の正確なデータ較正につながるであろうとKheifets氏は話しています。
 
 
P. S. 本研究で用いられたスーパーコンピューター「雷神」富士通が開発し、オーストラリア国立大学に納めたものだそうです。ちなみに、あの有名なスーパーコンピューター「京」を開発したのも富士通です。
 
 
 
Reference:
1. L. Torlina et al., Nature Physics (2015).  http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3340.html