OIST,マイクロ波が電子の動きを阻害することを実証

沖縄科学技術大学院大学(OIST)は,マイクロ波が電子の動きを阻害することを実証した(ニュースリリース)。

高速で振動する電場と磁場からなる光は,環境で電荷をもった物質と出くわすと,それを押す。光が衝突した電子と同じ振動数で振動する場合,その光と粒子は互いのエネルギーと情報を交換することができる。この状態に陥ると,光の動きと電子は「結合」する。

このエネルギー交換が,環境内で起こる他の光と物質の相互作用よりも速く起こると,その光と電子の動きは「強結合」する。今回研究グループは,マイクロ波を使ってこの強結合状態をつくり出そうとした。強結合をつくり出すことは,光で粒子を量子力学的に制御するために重要なステップで,物質の新たな状態をつくり出す上で重要になる可能性がある。

電子が近くの物質と衝突したり,熱を発する相互作用をしたりする際,「シグナルノイズ」が発生するが,ノイズから電子を分離すると,結合をはっきりと観察することができる。これまでの研究は,マイクロ波が粒子に及ぼす影響を半導体界面上で行なってきた。半導体界面とは半導体と絶縁体が接触する面で,これを用いると電子の動きを一つの面に閉じ込めることができる。しかし,半導体は電子の自然な動きを阻害する不純物を含んでいる。

こうした欠陥が全くない素材は存在しないため,研究グループは,マイクロ波を反射する2枚の金属製の鏡を取り付けた低温真空容器の中で,電子を孤立させる方法を用いた。この密閉容器は,セルと呼ばれる小さな円筒状の容器で,各容器には液体ヘリウムが入っており,絶対零度に近い温度に保たれている。

ヘリウムはこのような極低温下でも液体の状態を保つが,浮遊する不純物は凍結してセルの側面にはり付く。電子はヘリウムの表面に結合して二次元シートを形成する。セルの鏡間の光を捕獲することで,そこにある電子をマイクロ波のような電磁放射線にさらすことができる。このシステムで,マイクロ波が電子の回転に与える影響が見えるようになった。このような効果は半導体の中では確認できなかった。

研究グループはこの研究結果を数学的に説明し,速度,位置,各電子の総電荷量の変動が,強結合効果にほとんど影響を及ぼさないことを明らかにした。その代わりに,粒子とマイクロ波の平均的な動きが,集団として,両者間のエネルギーや情報交換を引き起こしたと考えられるという。

液体ヘリウムを使うと,電子を正確に制御することができるため,量子情報を読み,書き,処理することが可能になる。研究グループは今後,量子ビットにおける業界標準を改善することを目指すとしている。

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