アイデアは魔法のように聞こえますが、純粋でシンプルです。物質を消滅させたり、持つべきではない特性を与えたり、完全に別の物質の完全な模倣に変えたりできる光線を作成します。これは 21 世紀の錬金術であり、原則として、鉛を金に似せるだけでなく、通常の材料を超伝導体に変えることができます。
数十年にわたって開発された一般的なアプローチは、調整された光パルスを使用して原子と分子の電子雲を再形成することです。今年の夏の初め、ニューオーリンズにあるチューレーン大学の研究者チームとその共同研究者は、このアイデアを拡張しました。彼らは、固体とバルク材料にパルス戦略を適用する方法を考え出し、それらの特性が化学組成と構造によってどのように決定されるかを支配する通常の法則を書き直しました。量子制御を使用すると、Tulane の Gerard McCaul 氏は次のように述べています。
一方、他の研究者はすでに光パルスを使用して、他の方法ではこのように動作しない材料で超伝導 (抵抗なしで電気を伝導する能力) を呼び起こしています。
しかし、おそらくこの技術の真の可能性は、驚異的な擬態を可能にすることではなく、他の種類の変容を誘発することにある.因数分解などの難しい問題を解決するのに十分強力な光コンピューターを作成するために、光線が使用される可能性があります。化学物質は一時的かつ選択的に見えなくなり、複雑な混合物の分析に役立ちます。理論的な可能性は、私たちの想像力によってのみ制限されるようです。実際には、制限は、光と物質の相互作用をどれだけ理解して制御できるかに起因する可能性があります.
パルスの計画
1960 年代初頭にレーザーが発明された後、分子の電子雲がレーザー光の電磁場を感じて反応するため、これらのデバイスを使用して分子を操作できることに多くの研究者がすぐに気付きました。つまり、一貫性があります)。しかし、何かを真に制御するには、軌道が変化するタイムスケールでそれを突き刺したり誘導したりできる必要があります。これは、分子の場合は非常に速く、電子の場合はさらに高速です。最初は、レーザー パルスを十分に短くして、十分に高速なナッジ シーケンスを提供することができませんでした。
しかし、1980 年代後半から 1990 年代前半にかけて、パルス持続時間はわずか数フェムト秒 (1 フェムト秒は 10 秒に等しい) にまで短縮され、原子運動の時間枠に近づきました。これにより、レーザーがそれらの動きを選択的に刺激し、調査することが可能になりました。しかし、そのような動きを実際に制御するには、1990 年代初頭、プリンストン大学の化学者である Herschel Rabitz と彼の同僚が、特定の経路に沿って分子の挙動を誘導する複雑な波形である成形パルスが必要であると指摘しました。このパルス整形技術は、幸運なことに、光通信の時代に開発されていました。
しかし、挑戦は計り知れません。グライダーなどの巨視的な物体がたどる経路を制御するには、変更しようとしている軌道を知る必要があります。量子力学系の場合、これに相当するのは、その量子波動関数が時間とともにどのように変化するかを知ることです。これは、ハミルトニアンと呼ばれる数学関数によって決定されます。そして問題があります — 水素原子などの最も単純な系を除いて、ハミルトニアンは複雑になりすぎて、研究者が波動関数のダイナミクスを正確に計算できなくなります。
必要な制御パルスを事前に計算する必要があるという知識がない場合、唯一の代替手段は試行錯誤のように思われました。最初の制御パルスを試してから、同じ実験を何度も実行して繰り返します。これは、グライダーのパイロットが操縦桿のランダムな動きを試して着陸を学び、何がうまくいくかを確認してから徐々にそれらの動きを改良するようなものです.
これは、グライダーよりも量子システムの方がはるかに複雑です (危険性が低い場合)。パルスを整形するということは、より多くの周波数を追加することを意味します。課題は、必要な周波数の組み合わせを特定することです。 「ピアノに似ていますが、さらに悪いことに、約 128 個の鍵盤がありました」とラビッツ氏は言います。 (今日、パルス成形には千程度の周波数成分が含まれる場合があります。)
現在、McCaul は、Tulane の Denys Bondar と彼の同僚と協力して、必要なパルスを事前に計算するための理論的スキームを説明しています。
量子力学では、物質の特定の特性、たとえば導電率、または光透過性または反射率は、観測可能な量の平均または「期待値」に対応します。物質の波動関数があり、使用している光パルスの種類がわかっている場合、得られる結果 (期待値) を予測できます。
Bondar のチームはこの問題を逆転させます。達成したい結果 (期待値) から始めて、それを生成する光パルスを計算します。そのためには、システムの波動関数、または同等のハミルトニアンも知る必要がありますが、一般的には知りません。しかし、実際の波動関数の重要な特徴を捉えるのに十分近い一種の「おもちゃ」の波動関数である、十分に適切な近似を特定できれば問題ありません。
このようにして、研究者は、制御する電子がほんの一握りしかない分子の小さなコレクションから、電子の海全体を含む大きくてかさばる固体まで、方法を拡張する方法を考え出しました。 「私たちはシステムを電子の雲と見なし、雲を変形させ始めます」とボンダーは言いました。制御パルスは、電子が追従しなければならない一種のトラックを作成するため、このアプローチはトラッキング制御と呼ばれます。
ボンダーのチームと協力しているプリンストンのラビッツのグループの理論化学者であるクリスチャン・アレンツは、このアプローチにより、物質の特性を操作するための適切な制御場を見つけることがはるかに簡単になると説明しました。以前は、制御フィールドの設計は段階的で反復的な改善の問題でしたが、追跡アプローチは「多体システムを制御するための新しい手段」を確立すると、アレンツ氏は述べています。 「この研究は、将来の制御方法に大きな刺激を与えると信じています。」
ソリッドの形状を変更するには
量子コヒーレント制御に関する初期の研究の多くは、個々の分子に明確に定義された変化を引き起こすことに (文字通り) 焦点を当てていました。化学反応。しかし、材料内で一度に多くの電子をコヒーレントに操作することは、より困難な課題です。
原子が固体に集まると、隣接する原子の最も外側の電子殻が重なり合い、材料全体に広がる「バンド」を形成します。電子的および光学的特性は、これらのバンドの特徴に依存します。たとえば、金属では、最も高いエネルギーを持つ電子が容量いっぱいに満たされていな いバンドを占有するため、電子は原子格子全体を移動し、材料が電気を伝導できるようになります。一方、絶縁材料では、電子が占める最高エネルギー帯が完全に満たされているため、これらの電子が移動するための「スペース」はありません。それらは原子に局在したままであり、材料は伝導しません.
群衆の中の人々のグループの動きのように、電子の動きを相互依存 (つまり、相関) させる量子力学的効果から、よりエキゾチックなタイプの電子的挙動が生じる可能性があります。たとえば、従来の超伝導体では、最高エネルギーの電子が相関対 (クーパー対と呼ばれる) を形成し、2 つの電子がある程度離れていても同期して移動します。これらのクーパー対はすべて同じように動作し、超伝導体が抵抗なく電気を伝導できるようにする止められない勢いを与えます。あたかも電子が原子核の下にある格子に気付かなくなったかのようです.
しかし、どのような種類の材料がそのような特性を生み出すのでしょうか?通常、それらを見つけるには、さまざまな要素の順列の海で釣りに行く必要があります。これは非常に時間がかかり、労働集約的です。新しい超伝導材料の開発に膨大な時間と労力が費やされていることを目の当たりにしてください。
ただし、光パルスを使用して電子の分布方法を再形成することで、多かれ少なかれあらゆる材料で目的の特性を呼び出すことができると想像してみてください。この見方では、電子バンド構造は材料自体によって固定されるものではありません。代わりに、バンドは、任意の形に成形できる一種のパテになります。適切な制御パルスを見つければ、移動電子の配列を結合してクーパー対にすることができるかもしれません。それによって、おそらく鉄や銅などの小さな物質から、他の方法では不可能な条件下で超伝導体を作ることができるかもしれません。
成形レーザーパルスを使用して材料の特性を指定および制御するというこの概念は、すでに実を結んでいます。たとえば、研究者はこれを使用して、絶縁性と金属性の間で材料を切り替えたり、磁気特性を制御したり、超伝導を引き起こしたりしています。一般的な考え方は、光パルスがエネルギー帯域間で電子を再分配し、システムのあるフェーズと別のフェーズの間、たとえば金属と絶縁体の間のバランスを崩すというものです。このようにして、研究者は、通常必要とされる極端な極寒よりも数十度高い温度で超伝導を生み出しました.
しかし、その初期の約束にもかかわらず、研究者たちは、実験作業はまだ始まったばかりであると警告しています。 「特に強い [電子] 相関効果が存在する場合に、この研究を拡張固体の領域に移すことは、まだ始まったばかりです」と、ボンダーのチームと協力しているキングス カレッジ ロンドンの理論物理学者であるジョージ ブースは述べています。アレンツ氏は、材料の単純なモデルの計算が「他の現象やシステムにどの程度一般化できるか」はまだ分からないと警告しています。
そして、戦略がどれほど成功したとしても、これらの変更された特性は、制御パルスを適用している限り持続します.再成形された電子構造は、引っ張らないと伸縮性のある部分が伸びたままにならないのと同じように、自然にその場所にとどまることはありません。しかし、一部のアプリケーション (電子デバイスなど) では、それは問題にならない場合があります。必要なときにだけ、必要なプロパティを材料に「書き込む」ことができる場合があります。
できることすべて
一部の錬金術師が別の金属に化学反応を誘発して金属に金色の光沢を与える表面処理を施すことによって「金を作った」と主張した方法です。それは本当の意味で金ではありませんでした.
ボンダーはこれに同意しない:光学的に誘発された変換は、「実際には本当に基本的なものだ」と彼は言った.あるタイプのアルカリ金属原子 (ナトリウムなど) を別のタイプ (ルビジウムなど) に光学的に模倣させるには、制御ビームを使用して原子の双極子モーメントを操作する必要があります。光の電場との相互作用を決定します。 「双極子モーメントは、いくつかの化学的性質を含む他のものに影響を与えます」とボンダーは言いました。変化は単なる外見よりも深くなります。
ただし、これは、レーザー錬金術師を志望する人が、あらゆる物質を別のものに変える能力を持っていることを意味するものではありません.ドイツのハンブルグにあるマックス プランク物質構造・動力学研究所の物理学者 Michael Först は、特定の条件下で材料にすでに存在する可能性のある挙動を誘発することは、実現可能であると考えています。 「材料がまったく存在しない場合、材料の応答を模倣することはできません」と彼は言いました。 「平衡特性には何かがなければなりません。別の温度や圧力、または磁場などで、探している特性を材料がすでに保持している場合です。」
そのため、研究者は鉛を金に変えるのではなく、常に鉛のままである何かから特定の金のような反応を呼び起こしています.フェルストが実験的に研究した光誘起超伝導は、ゼロから超伝導を作り出すことではなく、他の方法で可能になるよりも高い温度でそれを可能にすることの問題です。 「私たちの一貫した制御パルスは、それを目覚めさせるだけです」と彼は言いました。フェルストの共同研究者であるマックス プランク研究所のミケーレ ブッツィも同意見です。 「運転を使って非常に凝った状態にアクセスすることはできますが、素材を使ってまったく違うものを作ることができるとまでは言いません。」
もしそうなら、光誘起変換は実際にどこまで進むのでしょうか?そんな超伝導体で本当にクーパー対を作っているのですか？それはまだ完全には明らかではありません。 Buzzi 氏は、彼らの実験では「クーパー対を最初から作成するのではなく、同期させている」と考えています。 「しかし、これについては完全にはわかりません」と彼は言いました。
多粒子系の量子制御法に取り組んでいるベルリン自由大学の Christiane Koch は、特定の応答を表面的に模倣するのではなく、根本的なレベルで材料を真に変化させるには、研究者は非常に掘り下げる必要があると考えています。電子雲の奥深くまで。これには非常に強力な制御ビームが必要になるため、関連する電磁場の強度は、固有の電子構造を形成する内部の力に匹敵します。できるかもしれないと彼女は言いましたが、簡単ではありません.
難しい問題を軽視する
量子コヒーレント制御のいくつかの潜在的な用途は、模倣に依存するのではなく、「設計された」方法で光と物質を結合する方法に依存します。そのような用途の 1 つが光コンピューティングです。ボンダー氏によると、光ビームは原則としてコンピューティングのための優れた情報伝達手段であり、特に一度に多くの波長を使用することで多くの情報を詰め込むことができるからです。しかし根本的な問題は、2 つ以上のビームを相互に通信させるのが難しいことです。電子とは異なり、「光は光と相互作用することを嫌います」とボンダーは言いました。
ボンダーの追跡制御スキームは、その結合がどのように達成されるかを示しています。制御ビームによって操作される、原理的には単一の原子と同じくらい小さい物質です。次に、着信データを含む 2 番目のビームが物質と相互作用します。相互作用はデータを変換して計算を実行します。 「これは、単一アトム コンピューティングへの道を開きます」とボンダー氏は述べています。
さらに驚くべきことに、この光学的アプローチを使用して、因数分解などの困難な問題を従来の電子コンピューターよりもはるかに迅速に解決できる可能性があります。 Bondar と McCaul は、Shor のアルゴリズムと呼ばれる量子因数分解アルゴリズムを実装できるはずだと考えています。これは、量子コンピューター用に最初に提案されたアルゴリズムの 1 つであり、古典的な光学に相当するものを使用します。 「クラシック コンピューティングを歴史のごみ箱に入れるのは時期尚早です」とボンダー氏は述べています。
McCaul はまた、追跡制御を使用して複雑な化学混合物を分析することも望んでいます。これは、たとえば創薬でしばしば直面する問題です。さまざまな化学物質が大量に混合されているとしましょう、と彼は言いました。各成分のスペクトル (異なる周波数の光をどのように吸収して特徴的な特徴を作り出すか) を知っていれば、どの化合物が混合物に含まれているかを知ることができます。 「しかし、スペクトルはしばしば互いに類似している可能性があるため、多くの成分がある場合は非常に困難になります」と McCaul 氏は述べています。追跡制御により、研究者は「各種の光学応答を一度に 1 つずつオフにする」ことができ、それらを選択的に見えなくすることができると彼は述べた。 McCaul は、原則として、これが異なる化学物質間の識別を桁違いに高める可能性があることを示しました.
次に、追跡制御によって可能になるかもしれない光の錬金術の偉業に不可視性を追加します。少なくとも理論的には、正しい光の下で見ると、見た目とまったく同じものは何もない可能性があることを示しています.
この記事は Wired.com に転載されました。
