OISTら,偏光が電子の動きに影響することを実証

沖縄科学技術大学院大学(OIST)は,ウクライナ低温物理工学研究所と二次元平面上の電流を測定し,さらにマイクロ波の偏光を変化させることによって,偏光が実際に電子の動きに影響を及ぼすことを示した(ニュースリリース)。

現代の電子工学は,負の電荷を帯びた数多くの電子の動きによって打ち立てられた。ただし電子のふるまいは,普遍的でありながらも,その詳細は未だ明らかにされていない。とりわけ,偏光した電磁波の影響を受けた際,電子はどのように動くかという疑問は,未解明の現象となっている。

偏光は,電磁波や光波などの波が回転するときに発生する。マイクロ波は,時計回りまたは反時計回りに回転する電場を有し,ほとんどの理論において,電子の回転に影響を及ぼすとされている。しかし実験をしてみると,電子がマイクロ波の偏光に影響を受けていないように見える。今回,この理論と実験結果の乖離を説明できる可能性が出てきた。

今回,OISTは,ウクライナ低温物理工学研究所と共同研究を行なった。ウクライナの研究者が,研究における主要な理論を検証するための数学的枠組みを開発し,OISTが実験を用いて,その数学的枠組みの検証を行なった。

従来の実験では,電子の動きは,半導体のような固体状態の材料で行なわれていた。しかし固体材料は不純物を含んでおり,除去するのが不可能な不純物が実験結果を左右していた。そこで今回,液体ヘリウムを用いて半導体の機能をよく模倣した実験システムを作り出した。

ヘリウムは,絶対零度に達しても液体状態であり続ける性質をもっている。一方,他の化合物(ヘリウム内の不純物)は凍結して容器の壁に付着する。このような超低温では,ヘリウムの表面の電子が「量子化」され,液体に垂直な電子の動きは,2次元空間内に「凍結」される。

この実験では,円形の偏波マイクロ波を電子層に送り,マイクロ波場の回転と同じ方向に電子を回転させた。すると電圧をかけた測定中の電子の流れが,磁場で振動し始めた。磁場の方向を変えて電子の回転を反転させると,振動が著しく弱った。さらに電子の回転を変えずに,マイクロ波場の回転方向を逆転させることによっても,同様の挙動を観察した。

この実験結果は,電子は電磁波の偏光の影響を実際に受けることを意味する。しかし,数多く存在する理論のうち,どれが主要な理論なのかは示すことができておらず,これらの電子が,なぜこのようにふるまうのかは,さらに正確に理解する必要があるとしている。

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