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光子

光の二重性を利用して超高感度な「超伝導光センサー」を開発!光子一つを観測できる光子顕微鏡を実現

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。


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ついに光から物質ができちゃった?光子と人工原子から成る安定な分子状態を発見!量子技術分野に応用可能

光子は力を媒介とするゲージ粒子

 光の粒子「光子」。光の実体を「粒」とする粒子説と「波」とする波動説の論争は、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。

 光子はまた、力を媒介する基本粒子(ゲージ粒子)としての性質がある。例えば物質に力を加えると物質内の電子が移動する。それが元に戻ろうとするときに光子を生じる。核分裂反応や核融合反応では、粒子と粒子がぶつかり合い、新しい元素が多量に生じる。この時、電子の位置が激しく遷移するので光子も多量に発生する。これが太陽エネルギーの源である。

 これまで、物質から光子を取り出すことはできたが、光子から物質を造ることには成功していなかった。今回、国立研究開発法人情報通信研究機構(NICT)は、日本電信電話株式会社(NTT)、カタール環境エネルギー研究所(QEERI)と共同で、超伝導人工原子とマイクロ波光子の相互作用の強さを系統的に変え分光実験を行った結果、人工原子に光子がまとわり付いた分子のような新しい最低エネルギー状態(基底状態)が存在することを発見した。


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