タフなショットを撮ることについて話してください。物理学者は、水素原子内の電子の量子的な働きを初めて画像化することができました。これは、量子世界のより深い理解への扉を開く可能性のある進歩です。
電子、陽子、中性子など、原子の内部の写真を撮るのは簡単なことではありません。量子力学では、これらの素粒子を特定することは事実上不可能です。粒子がどこにあるかを記述する能力を持つ代わりに、量子論は波動関数と呼ばれるその場所の記述を提供します。波動関数は音波のように機能しますが、音波の数学的記述が特定の場所での空気中の分子の動きを定義するのに対し、波動関数は粒子を見つける確率を記述します。
物理学者は波動関数がどのようなものかを理論的に予測できますが、波動関数は非常に壊れやすいため、測定は非常に困難です。もう 1 つの量子的な奇妙さは、波動関数を直接観察しようとするほとんどの試みが、崩壊と呼ばれるプロセスで実際に波動関数を破壊することです。したがって、波動関数の特性を実験的に測定するには、研究者は、同じように準備された原子または分子の多くの個別の破壊測定からそれを再構築する必要があります。
アムステルダムにあるオランダの基礎研究財団 (FOM) のラボである AMOLF の物理学者は、今週 Physical Review Letters に掲載された論文で新しい非破壊的アプローチを実証しました。 ロシアの 3 人の理論家による 1981 年の提案と、その提案を可能性の領域に持ち込んだ最近の研究に基づいて、チームは最初にチャンバー内の水素原子に 2 つのレーザーを発射し、基になる波動関数に依存する速度と方向で電子を放出しました。 .チャンバー内の強い電場が、電子を平面検出器上の位置に導きました。検出器は、初期位置ではなく初期速度に依存していました。そのため、検出器に衝突する電子の分布は、水素原子核を離れた瞬間に電子が持っていた波動関数と一致しました。この装置は、チームが高解像度のデジタル カメラを使用して撮影した明るいリングと暗いリングとして、電子分布をリン光スクリーンに表示します。
チーム リーダーの Aneta Stodolna は次のように述べています。彼女は、将来実用化される可能性があると述べています.論文に付随する解説は、この方法が電子デバイスの縮小に役立つ可能性のある分子ワイヤ、原子厚の導体などの技術の開発に役立つ可能性があることを示唆しています.しかし、その結果は懸念される.これは、次世代の物理学者の量子的直観を開発するのと同じくらい価値があるかもしれません。
カナダのオタワ大学の物理学者であるジェフ・ランディーンは、水素は学部の物理学の教科書の例であり、宇宙の 4 分の 3 を構成する要素でもあるため、「これは興味深い実験です。水素を調査していることが主な理由です」と述べています。光子波動関数に関する関連実験を行った。 Stodolna のチームは、波動関数を観測するための「基本的に新しい技術を開発した」と Lundeen は言うが、物理学者が水素よりもよく理解していない、より複雑な原子に適用できるかどうかはまだ明らかではない. 「それがかなり普遍的なものになれば…それは、実験室でそれらの原子を研究するための非常に有用なツールになるだろう」.
