光が電子を誘導する「電子灯台」
私たちの多くは、光とは滑らかな流れと思っています。
しかし実際の光は、エネルギーを粒の形でひとつぶずつ渡してきます。
この粒を光子と呼び、光の色が違えば、粒ひとつあたりのエネルギーの大きさも違ってきます。
研究者たちが用意した2種類の光は、この光子1粒あたりのエネルギーが違っていました。
ここでは、粒の大きい「高エネルギーの光」と、粒の小さい「低エネルギーの光」と呼ぶことにします。
どちらの光も、粒が一つきりでは、電子を束縛から解き放つには力が足りません。
高エネルギーの光なら2粒
低エネルギーの光なら3粒
それだけ集まって、はじめて一つの電子を解き放てます。
しかも、うまくできていて、どちらの方法でも、電子に渡るエネルギーの合計はぴったり同じになるよう調整されています。
そして研究者たちは、2種類の光を同じ場所にぴったり重ねて照射しました。
すると1つの電子の前には、主に2種類の選択肢が現れます。
1つ目は「高エネルギーの光」2粒を受け取って出ていく場合。
2つ目は「低エネルギーの光」3粒を受け取って出ていく場合。
です。
もし日本に100円玉だけでなく200円玉や300円玉があるとしたら、同じ600円の品物を、300円玉の2枚で買うか、200円玉の3枚で買うか。
その違いだと思ってください。
手に入る品物は寸分たがわず同じです。違うのは支払い方だけ。
そのため同じ場所にたどり着いた電子だけを見ると、速さも向きもそっくりで、どちらの払い方で生まれたのかを見分ける方法がありません。
私たちの日常世界なら、支払い方が2通りあったとしても、実際に払ったのはどちらか一方です。
しかし量子の世界では、そうなりません。
2種類の光がぴったり重なり合っていて、しかも生まれてくる電子がどちらの場合も同じであるために、どちらの払い方で射出されたのかを確かめる手立てが、どこにも存在しないのです。
そして確かめようがないとき、量子は「どちらか一方」に決めてくれません。
2通りの「生まれ方」が重なり合ったまま、1つの電子が飛び出すことになります。
ここで電子の波としての性質が効いてきます。
電子は、量子の世界では「波」としてもふるまい、波は、重なり方しだいで、強め合ったり、打ち消し合ったりします。
たとえば二重スリット実験では、2つのすきまに向けて、電子を一粒ずつ撃ち込んでいくと、まるで一つの電子が両方のすきまを同時にくぐり抜けたかのように、スクリーンに縞模様が浮かび上がります。
縞の濃いところは電子が届きやすい場所、薄いところは届きにくい場所です。
今回の研究でも、これとよく似たことが起きています。
ただし、縞模様が現れるのは平面的な板ではなく、電子が「飛び出す方角」のほうに、濃い薄いが現れるのです。
方角ごとに「生まれ方の重なり方」が違ってくるため、結果として電子が飛び出しやすい方向に、濃い薄いが現れるのです。
たとえば
右へ飛ぼうとする電子については出現しやすく
左へ飛ぼうとする電子については出現しにくい
といったような現象が起こり得ます。
結果として、右へ飛ぶ電子が優勢になります。
出現しにくい方角の電子は、生まれた後で取り払われたのでも、途中で向きを変えさせられたのでもありません。
確率の濃淡が方角によって決められているために、最初からその方向に出てこないのです。
こうして、電圧をいっさいかけていないのに、特定の方向に電子が出現する傾向が強まり、電流が流れることになります。
（この仕組みは「量子干渉制御」と呼ばれています）
そして、電子が飛び出しやすい方向は2つの要素で決められることがわかっています。
一つは、光の振動する向き（偏光）。
もう一つは、2種類の光が届くタイミングの、ほんのわずかなずれ。
光のこうした性質をいじるだけで、電子がどちらへ飛び出すかを、操れてしまうのです。
ただ昔ながらの方法では、電子の行先は大雑把に「右か左か」という粗いものでした。
たしかに右向きの電子のほうが多い。けれど、斜め右へ飛ぶ電子も、真横へ飛ぶ電子も、それなりに生まれてしまいます。
差し引きすれば右向きの電流になりますし、実際その電流はきちんと電極で測れていました。
ですが、それを「束」とは呼べません。
なんとなく右に寄った集団と、方角のそろった一本の束。この二つは、できることがまるで違います。
きれいな束になってはじめて、「どの方角を狙ったか」という情報を、電流に刻み込めるからです。
その差は、使う光の、粒の数でした。
昔のやり方は、粒の数が「1粒と2粒」の組み合わせですが、「高エネルギーの光」なら2粒、「低エネルギーの光」なら3粒と数が増えています。
しかしたったそれだけで、電子の飛び出す方角が、驚くほど狭くしぼり込まれたのです。
なぜ、粒の数を増やすと、向きがそろうのでしょう。
大事なのは、光の粒が束からはみ出てしまう電子を、そもそも生まれにくくして、真正面向きだけを残しす選別を行っているからです。
そして、このふるいは、光の粒を吸い込むたびに、一度ずつかかります。
ふるいが1枚だけなら、多少斜めでもすり抜けられるますが2枚、3枚と重なると、束から（真正面から）ずれた電子ほど、加速度的に振り落とされていきます。
（※吸収する光子の数が多い過程ほど、飛び出す電子の方角が、狭い範囲に鋭く集中します）
いわば、真正面からのずれを見張る「ふるい」のようなものです。
ふるいが1枚だけなら、多少斜めでもすり抜けられます。ところが同じふるいが2枚、3枚と重なると、真正面からずれた電子ほど、こぼれ方が加速していきます。
これが、光の粒を多く使う方法ほど、電子の束が細くなる理由です。
（※吸収する光子の数が多い過程ほど、飛び出す電子の方角が狭い範囲に鋭く集中します）
実際の測定でも、光を操作した時の電流の落ち方は、従来方式よりはっきりと急でした。
なんとなく左右に広がった集団ではなく、一本の束のように電子を誘導できることがわかったのです。
