高速ビームでも「通過ルートが不確定」だと壁を傷つけずに通過できる (2/3)

量子的不確定性とグラフェンの耐久性

「なぜ高速ビームがわずか1原子の厚みしかない膜をすり抜け、しかも壊さないのか？」

この結果は一見すると、超常現象のようにも思えます。

しかしながら、量子力学と古典的な物性の両面から眺めると、案外シンプルな答えが浮かび上がってきます。

まず量子力学の視点からみると、量子の世界では、「どの経路を通ったか」が確定しないまま進むとき、粒子は“波”の性質を強く発揮することが知られています。

これがコヒーレンス（干渉性）と呼ばれる状態です。

原子が波として振る舞う以上、「ここを通った」と特定できるほど強い相互作用を結晶と起こしていない、という見方ができます。

研究者たちはこの状況をドアを使って「もし酔っ払った人のように派手にガチャガチャとドアを開ければ、どのドアを通ったかはっきりわかります」とたとえています。

量子力学でいえば、“観測”できるほど強い相互作用が起こり、波動性が壊れてしまうのです。

一方、「どのドアを開いたのかわからない」レベルでそっと通ると、ドアが壊れることなく廊下を通り抜けるイメージになります。

SFの世界では越えられないはずの物理的障壁を量子化して（波の状態で）通り抜けると言う設定がしばしばみられますが、今回の研究はそれを現実世界のグラフェンを相手に実証したわけです。

一方、もしビームが壁を破壊するくらい大きな衝撃を与えると、「どこを通ったか」の情報がはっきり残ってしまい、回折は生じなくなってしまいます。

言い換えれば、破壊を回避する微妙な衝突条件こそが、「経路不確定＋回折パターン」を生み出す鍵になっているのです。

（※量子力学の世界では、ある粒子が「どの経路を通過したか」を観測できない（観測が入らない）状態にあるとき、粒子は波として振る舞い続けることになります。もし結晶を破壊するほど強い衝突が起これば、結晶に「ここを通った」という情報がはっきり残り、量子の波動性（コヒーレンス）は失われてしまいます。結果として、破壊を伴うほどのエネルギー伝達が起きないからこそ、「通過ルートがわからないまま回折を起こす」という量子力学的性質が保たれるのです。）

一方で、グラフェン自体の圧倒的な強度もここで重要になります。

炭素原子間のsp²結合は非常に強固で、局所的には鋼鉄の200倍にも達する強度を持ちます。

とはいえ、必ずしもビームを“跳ね返す”わけではありません。

むしろ短時間での衝突によって大きなエネルギー伝達が起こらず、ビームがすり抜けていく形になります。

実際、弱いビームを当てるとグラフェンの壁で反射されるケースも確認されています。

しかし今回の実験では、十分なエネルギーのビームが一瞬で通過するため、穴を空けるほどの衝撃を与えきれないのです。

研究者たちはこの状況をさらに突き詰めるため、時間依存密度汎関数理論（難しい名前ですが中身は簡単です）を持ち出しました。

時間依存密度汎関数理論を簡単に言えば原子同士の軌道や電子密度がどの程度重なり合い、どのくらいの衝撃（運動量交換）が起きるかを計算し、壁を壊すほどのエネルギー移転が発生するかを数値的に予測する理論です。

研究者たちがこの理論にもとづき算出を行ったところ、「原子が超高速で一瞬のうちに通過するため、結晶に大きなダメージを与えるほどの運動量は伝わらない」という結論が得られました。

（※時間依存密度汎関数理論自体は量子理論の一種です）

グラフェンの炭素ネットワークは、一見硬そうですが、局所的にはわずかに弾力性があり、“パチン”と千切れない程度に衝撃をいなしてしまう状態が起き、結果として原子の潜り抜けが起きていたのです。

つまり、量子力学の「通過ルートが不確定」という要素と、グラフェンの結合強度＋衝突時間の短さという要素がガッチリ組み合わさって、原子が壁を粉砕せずに透過し、しかも回折という波らしい量子現象が観測できたのです。

次ページでは、この研究成果によってどんなSF技術が解禁されるかを紹介したいと思います。