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(量子)スピンの空回りだけでも軌道に戻す

なかなか凄そうな研究成果が東大のグループから発表されました。

ようは、
従来困難とされた量子もつれが拡張された状態を作り出すことに成功し、物性物理(による新素材開発)に貢献出来る、という話です。

相当丸めて書かざるを得ないほど難解な内容です。

欲張らずに、今回は簡単な個所の誤解されがちなところだけ補足しようと思います。

それは「スピン」のイメージです。

おそらく2022年のノーベル物理学賞テーマで「量子もつれ」が話題になり、そのもつれを示す物理情報として「スピン」も頻出したと思います。

例えば、どんなに遠距離でももつれた量子(素粒子)は片方のスピンが上と観測されたら一瞬で(光速を超えて)もう片方のスピンは下となる、というお決まりの表現です。

この「スピン」ですが、素直に聞くと「回る」イメージを持つと思います。

が、地球の自転のように、実際回っているわけではないです。

過去に量子力学の歴史で、若干その顛末について触れました。

ざっくりいうと、量子(実験では電子)が持てる情報は階層構造で上限があり、それをふるい分けるために分類した情報量、です。

シュテルン=ゲルラッハという有名な実験が、その歴史を彩りました。

中身の紹介がメインでないので、実験自体に関心のある方は上記をみてください。量子力学の歴史ではよく見かけると思います。

今回の趣旨に絞って伝えると、その実験で不思議なことが分かります。

電磁誘導の法則によると、磁場は電場変化(電子の運動)で発生するのですが、その効果を足し合わせてもまだ磁力が残ってしまいました。
従って、消去法で電子自体が自転してるのだ!という、ある意味自然な仮説が提唱され、「スピン」と名付けられました。

その後研究が進み、実際には自転はしていないことが分かりました。
ただ、結果として(動くことで生じるように)磁場に影響を与えているので、自転している例えでもまぁいいんじゃない、ということで「スピン」という名前が残り今日に至ります。

という、長い前振りを経て冒頭の研究発表に戻ります。

普通は極低温にすると電子の活動が静かになるのは想像つきやすいと思います。(熱は1つの1つの素粒子の活発度合いのようなもの)

今回は、うまく技術的に制御して、スピンとそれが存在する確率的な情報(量子力学では軌跡を1つには決められない)を絡みあった状態にすることで、従来と性質が異なる磁力を帯びた物質を創ることに成功した、ということです。

このような物質は、最近よく「トポロジカルな物質」を丸められることがあります。見た目は変わってもとある性質は変わらないまま、というイメージだけで十分です。(よくトポロジーで例に出されるのが「その物質が持つ穴の数」で、ドーナツと取っ手の着いたマグカップは同じ、とか)

過去もちょっぴりだけ触れました。

具体例で言えば、中は電気を通さない絶縁体なのに表面では通すという不思議な性質を持った物質なども応用例です。
実用性で言えば、電子の動きが従来と異なる物質を創れるため、高いエネルギー効率を備えた超エコな素材開発が期待出来ます。

この分野(物性物理)は、イメージとして日本勢が元気な印象はあります。

ただ、今回の記事のように、結構込み入った要素技術を駆使しているため、その素晴らしさを伝えられるよう、エネルギーを蓄えたいと思います🔥

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