光子一つを観測できる光子顕微鏡を開発

 光子は光を構成する最小単位であり、それ以上分けることができない素粒子の一つ。波動性と粒子性の両方の性質を併せ持つ。光の強度は、光子のエネルギーと単位時間当たりの光子数の積に比例する。つまり、光子は1つ2つと数を数えられる存在であり、量子の一つである。

 今回、光を構成する最小単位の光子一つを観測することができる光子顕微鏡を開発した...と産業技術総合研究所(産総研)がこのほど発表した。これまでの光学顕微鏡では不可能だった極めて弱い光も検出してカラー画像を撮影することに世界で初めて成功したという。研究成果は英科学誌に掲載された。

 産総研・物理計測標準研究部門量子光計測研究グループの福田大治(ふくだ だいじ)グループ長らの研究グループは、これまでに超伝導現象を利用して光子を一つづつ検出して光子の波長も識別できる光センサーを開発している。



 研究グループはこの光センサーを顕微鏡の光検出器に活用して光子顕微鏡の開発を実現した。光子は色と密接な関係がある波長を持っており、波長と光子のエネルギーには相関性がある。このため光子のエネルギーを測定すれば波長も分かって色を識別できるという原理を応用したという。

 微小な試料を観察する目的で電子顕微鏡が広く使われているが、電子顕微鏡による観察画像は白黒だった。またこれまでの光学顕微鏡は光子が数個程度のきわめて弱い光を捉えることはできず、試料のカラー画像を撮影することは不可能だった。

 研究グループによれば、今回開発した光学顕微鏡を活用すれば、生体細胞が放つ微弱な発光を観察することや、微量な化学物質を蛍光分析することなどが可能になる。このため、医療・バイオ分野や半導体分野の研究開発・製品開発で利用が期待できるという。


 光学顕微鏡には十分な光が必要

 微小な物体を拡大して可視化する光学顕微鏡や電子顕微鏡は、広く使われている重要な観察装置である。電子顕微鏡は微細な試料を観察できるが、一般には画像は白黒であるため、カラー観察には光学顕微鏡が用いられることが多い。光学顕微鏡では、通常、観察する試料に光を照射し、その反射光や透過光、あるいは蛍光や発光をレンズで集光して、CMOSカメラなどの光検出器で画像として撮影する。

 しかし、試料からの光が極めて弱くて光検出器の検出感度を下回ると、画像が暗く不明瞭となる課題があった。そのため、微弱な光でもカラー観察できる高感度な光学顕微鏡が求められていた。

 産総研では、これまでに単一光子レベルの極微弱な光から、kWクラスの強いレーザー光まで、光強度の精密測定技術を開発し、国家標準として確立してきた。特に光子は光の最小単位で重要な測定対象であり、高精度検出のために、超伝導現象を用いた新しい光検出技術の研究を進めてきた。これまで、世界で最も高効率で光子を検出できる超伝導光センサーを実現した。

 また、この超伝導光センサーを用いて、光の量子性を最大限引き出し、通信容量を従来の千倍以上とする量子情報通信などへの応用の可能性を提案するなど(2014年4月4日産総研プレスリリース)、この超伝導光センサーの応用範囲や利用の拡大を目指してきた。


 超高感度な超伝導光センサー

 光の最小単位は光子であり、それ以上分けられない最小のエネルギーを持つ。このように光子は粒子の性質を持つが、同時に波動性も持つため固有の波長も持っている。

 アインシュタインの光量子説では、光子のエネルギーと波長には相関性があるため、光子のエネルギーを測定すればその波長も識別できる。

 産総研が開発した超伝導光センサーは、超伝導薄膜からなる光検出部と、光を閉じ込めるための誘電体多層膜からなる。極低温に保持された光検出部に光子が入射すると、光子のエネルギーによって一時的に超伝導状態が壊れ、電気抵抗が変化する。その抵抗変化の大きさから光子のエネルギーが分かるので、光子の波長を識別できる。

 今回、この超伝導光センサーを光学顕微鏡の光検出器に用いた光子顕微鏡を開発した。まず、観察する試料のある場所からの極微弱光をレンズ系で集光し、光ファイバーで冷凍機内の超伝導光センサーへと光子を導く。超伝導光センサーは、冷凍機内で温度100 mKに維持されている。到達した光子を超伝導光センサーで1個ずつ分離検出してそのエネルギーを測定し、ある一定の時間内に到達した光子の数とそれぞれのエネルギー(波長)から、測定場所の試料の色を識別する。試料を走査して、場所ごとにこの測定を繰り返すことで、カラー画像が構築できる。

 光子顕微鏡の性能を実証するため、カラー印刷したテストパターンを極微弱光で照らし、反射光を、カラーCMOSカメラを用いた一般的な光学顕微鏡と、今回開発した光子顕微鏡でそれぞれ撮影して比較した。

 試料からの反射光の光強度が微弱だと、光学顕微鏡では色を見分けることが困難であったが、光子顕微鏡では同じ光強度でも、赤、黄、青の各色を明瞭なコントラストで識別できた。

 この測定では1測定点あたりの光子数は、平均して20個程度(露光時間50 ms)であり、これは0.16 fW(フェムトワット)程度の極微弱な光強度に相当する。これほどの極微弱光で鮮明なカラー画像が得られたのは、世界初となる。


 不思議な光子(フォトン)の二重性

 光の実体を「粒」とする粒子説と「波」とする波動説の論争は、はじめ干渉実験などで波動説が優位に立ったが、1905年、A.アインシュタインは、光を受けた物質が電子を出す光電効果を、光を1粒、2粒と数える光量子の考え方で説明した。量子力学は「光は粒子であり、波である」とみる。1粒のエネルギーは、振動数ν(ニュー)の光でhν(hはプランク定数)。質量はゼロ。スピンは1。

 「光は、波でもあり粒でもある」―このことを深く理解するための実験が行われた。それは、ヤングの干渉実験(ダブルスリットの干渉実験)において、光をとても弱くしていって「光が一粒しかない状態」でも、干渉縞が現れるかどうかを調べるもので、光の一粒一粒を検出する技術を使って行われた。そして実験の結果、一粒のフォトンが、干渉縞を示すことが確認された。

 極限まで明るさを絞った光をスクリーン上で検出すると“粒”としてふるまう一方、記録された“粒”の数が増えると二つのスリットを通すと干渉縞が姿を現す。これにより光が“波”としてもふるまうことがわかる。

 さらにこの実験では、スリットの一つを閉じ、一粒のフォトンが片方のスリットだけを通るようにすると、干渉縞が現れないことがわかった。これは、ダブルスリットの干渉実験では、一粒のフォトンが二つのスリットを同時に通過して、それ自身で干渉したということを示している。

 これらの実験から、フォトンは粒のような性質を持つものとして検出されながら、一方で波のようにダブルスリットを同時に通過して干渉するという、波と粒の二重の性質を持っていることがわかる。

 こうして、アインシュタインの光量子説をもとに、量子力学的な考察や実験によってフォトンの二重性は確認されました。そして現在ではフォトンは、光の吸収や放出といった光と物質の相互作用が関連する分野では粒として、光の伝播に関わる領域では波として扱われている。

 それでは、フォトンはどうして同時に2つのまったく異なる性質を持てるのだろうか? フォトンとは、何者なのか?

 現在、フォトンは「宇宙を構成する4つの力」のうち「電磁気力」を伝える働きをしていることがわかっている(その他の3つは「重力」「強い力」「弱い力」です)。フォトンは、私たちが暮らすこの世界の成り立ちに大きな役割を果たしており、物質や生命の根源に深く関わっている。

 フォトンの本質を知ることで、光をもっと有効に利用でき、想像を超えた革新的な社会がどんどんと拓かれていく...。みなさんの新しい感性や想像力、熱意によってそれが実現すればすばらしい。


参考 サイエンスポータル: 光子1つを観測できる光子顕微鏡を開発 産総研


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