世界で初めて「光」の粒子と波の性質を同時に撮影することに成功

光は「粒子」の性質と「波」の性質を併せ持っていますが、これまでは同時に観測できなかったこの両方の性質を、スイス連邦工科大学ローザンヌ校(EPFL)の研究チームが世界で初めて電子顕微鏡で撮影することに成功しました。

The first ever photograph of light as both a particle and wave
http://actu.epfl.ch/news/the-first-ever-photograph-of-light-as-both-a-parti/

Simultaneous observation of the quantization and the interference pattern of a plasmonic near-field : Nature Communications : Nature Publishing Group
http://www.nature.com/ncomms/2015/150302/ncomms7407/full/ncomms7407.html

The first ever photograph of light as a particle and a wave | EurekAlert! Science News
http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-03/epfd-tfe030115.php

そのすごい写真がコレ。

© 2015 EPFL

といっても、何がどうすごいのかがとてもわかりづらいわけですが、なぜこれを撮影するのがそんなにすごいことなのか、どのようにして撮影したのかをEPFLがアニメーションムービーで解説していて、これを見れば事情がわりと簡単に把握できます。

Two-in-one photography: Light as wave and particle! - YouTube


アインシュタインといえば「特殊相対性理論」「一般相対性理論」などで知られる20世紀の物理学者です。19世紀末まで「光は波である」という考え方が主流でしたが、それでは「光電効果」などの説明がつかなかったところに、アインシュタインは「光をエネルギーの粒子(光量子)だと考えればいい」と、17世紀に唱えられていた粒子説を復活させました。

この「光量子仮説」による「光電効果の法則の発見等」でアインシュタインはノーベル物理学賞を受賞しました。

その後、時代が下って、光は「波」と……

「粒子」の、両方の性質を持ち合わせていると考えられるようになりました。

しかし、問題は光が波と粒子、両方の性質を現しているところを誰も観測したことがない、ということ。

そこでEPFLの研究者が考えた方法がコレです。まず直径0.00008mmという非常に細い金属製のナノワイヤーを用意し、そこにレーザーを照射します。

ナノワイヤー中の光子はレーザーからエネルギーを与えられ振動し、ワイヤーを行ったり来たりします。光子が正反対の方向に運動することで生まれた新たな波が、実験で用いられる光定在波となります。

普段、写真を撮影するときはカメラのセンサーが光を集めることで像を結んでいます。

では、光自体の撮影を行いたいというときはどうすればいいのか……？

光があることを示せばいい、ということでナノワイヤーに向けて電子を連続で打ち出すことにします。

運動中の光子

そこに電子がぶつかると、光子は速度を上げるか落とすかします。

変化はエネルギーのパケット、量子として現れます。

それを顕微鏡で確認すれば……

「ややっ、見えるぞ！」

そうして撮影されたのが左側に掲載されている、世界で初めて光の「粒子」と「波」の性質を同時に捉えた写真である、というわけです。

実際に撮影した仕組みはこんな感じ

なお、以下にあるのが撮影するのに成功した顕微鏡の実物です