水素はいつ「粒子」になり、いつ「波」になるのか――量子トンネルを支配する仕組みを解明 (3/3)

量子トンネル効果を2点の溶け合いと考える

今回の成果は、水素という原子が波として移動するトンネル効果に、結晶の整い方が重要であることを示しました。

出発点と出現先に同じような状態の席が用意されていれば、水素は波として極めて速く動けるのです。

では、なぜ「席が似ていること」が、それほど決定的なのでしょうか。

この仕組みをより深く理解するには、量子トンネルを「壁抜け」と考えるよりも、「状態の混ざり合い」と考えたほうがよいでしょう。

水素が「左の隙間にいる状態」と「右の隙間にいる状態」があるとします。

量子力学では、この2つは独立ではいられず、量子力学的に結びついて混ざり合い、新しい状態をつくることができます。

これがトンネル、すなわち非局在化の正体です。

壁を抜けるというより、水素が左にいる可能性と右にいる可能性が、1つの波として重なり合うのです。

言葉を換えれば、左にいるのか右にいるのか、まだ確定していない1つの波になるわけです。

この混ざり合いは、水素の2つの行き先の状態が「瓜二つ」であるほど起こりやすくなります。

こちらとあちらが似ていればいるほど、水素にとって2つの隙間は「区別のつかない場所」になっていきます。

そして量子の世界では、区別のつかない2つの居場所は、もはや別々ではいられません。見分けがつかない以上、雲はどちらか一方をえこひいきする理由を失います。

えこひいきする理由がないのなら、雲は両方へ等しく身を委ねる――これが「広がる」ということの正体なのです。

また、エネルギーという視点から見れば、雲にとっても、両方に等しく広がった状態のほうが、片側だけに縮こまった状態よりエネルギーが低くなるとも言えます。

狭い場所に押し込められた波ほど、窮屈さの分だけ余分なエネルギーを抱えてしまいます。

だから、のびのびと両側に広がれるなら、そのほうが水素にとっては楽なのです。

これは、自然界の物事が、より低いエネルギーの状態へ落ち着こうとする、ごく一般的な傾向の表れでもあります。

しかし、こちらとあちらの状態が「ばらばら」では、それが難しくなってしまいます。

もし格子の対称性が水素の量子的な振る舞いを左右するのなら、逆に、材料の格子のゆがみ具合をこちらで設計することで、水素の動きを速めたり遅めたりと、意図的に操れる可能性が見えてきます。

これは、水素をためたり、運んだり、必要な場所へ拡散させたりする材料を設計するうえで、いわば羅針盤となる発見です。

最も軽い原子が見せる、粒と波という2つの顔。

その切り替えスイッチが、水素自身ではなく、それを抱く結晶の側の形にあったのです。

この意外な発見は、水素と金属という二者の関わり合いが、いかに繊細に量子の世界を形づくっているかを、改めて私たちに教えてくれます。

目に見えないほど小さな水素の「気まぐれ」の裏には、これほど整然とした理由が隠れていたのです。