東京工業大学の上妻幹旺教授らの研究グループはレーザー光とイッテルビウム原子から成る人工結晶を作製することに成功しました。超電導など、固体が持つ新奇な性質の理解に迫ることができるのではないかと考えられています。
超伝導現象などの舞台となる結晶は、原子の並びが規則正しく格子状に繰り返すことで形成される固体です。その中での電子の振る舞いを調べることが現象の解明には不可欠です。しかし電子のように量子的な性質、つまり粒子と波の両方の性質を持つ対象を厳密にコンピュータでシミュレーションすることは不可能です。そこで提案されているのが、実際に量子的な粒子を使うことで現象を調べる方法です。
固体の中の電子はフェルミ粒子という種類に分類されるため、同種の粒子を格子状に並べることができれば現象を再現することができます。今回の研究ではレーザーで作った光の格子の中にイッテルビウムという原子を配置した人工結晶によりこれを実現しました。イッテルビウムは用いるレーザーを調節することでフェルミ粒子としての性質を発現させることができるのです。また、原子は電子に比べて動きが遅いため現象の観測が容易になります。さらに、光格子の形状を変えることで様々な物質に似せてデザインできることから多くの現象の解明につながることが期待できます。
今後は固体内の物理現象の解明に向けて研究を続けていくとしています。中でも注目しているのがより高温での超電導の実現です。既に研究・医療などで実用化されている超伝導は液体窒素で冷却し続ける必要があり、コストがかかる原因となっています。超伝導状態をより高温で実現できれば冷却のコスト軽減につながり、電送網など日常生活にも関わる技術への活用が進むでしょう。いまだ未解明である超伝導が発現する理由が分かれば不可能ではないでしょう。
