お知らせ

2023年03月17日

ポイント

＊世界有数の多価イオン実験装置と宇宙観測用最先端X線検出器との融合による新しい実験
＊原子物理の常識では無偏光であるはずのX線が大きく偏光していることを突き止めた
＊常識を排除した理論解析によりその偏光が特異な量子干渉効果の結果であることが分かった

概要

中村信行教授（レーザー新世代研究センター）、高橋忠幸教授（東京大学国際高等研究所カブリ数物連携宇宙研究機構）、渡辺伸准教授（宇宙科学研究所）らの実験グループは、多価イオンが高エネルギー電子を捕獲する際に放出する高エネルギーX線の偏光度を測定し、これまでの原子物理の常識では偏光していないと考えられていたX線遷移が大きく偏光していることを突き止めました。この実験成果は、本学が所有する世界有数の多価イオン生成・実験装置である電子ビームイオントラップTokyo-EBITと、宇宙科学研究所を中心に宇宙観測のために開発され、本研究のために改良された高エネルギーX線用コンプトン偏光計EBIT-CCという二つの最新鋭装置・技術が融合することで初めて得られたものであり、他の研究機関では成し得なかったものです。
また、仝暁民准教授（筑波大学計算科学研究センター）、高翔特任研究員（北京応用物理計算数学研究所）、加藤太治准教授（核融合科学研究所）の理論グループが行った常識を排除した理論解析により、実験で観測された予期せぬ大きな偏光が、量子干渉効果（量子力学における確率の波同士の干渉）の結果であることが明らかになりました。通常、干渉を起こす二つの波の初期状態は等しい必要がありますが、今回観測された偏光を生じさせたのは、角運動量の異なる二つの波、つまり厳密には異なる初期状態を持つ二つの波が引き起こした特異な干渉効果であることも明らかになりました。
本研究の成果は米科学誌「Physical Review Letters」に掲載されました。

背景

原子やイオンはエネルギーの高い状態から低い状態に遷移するとき、そのエネルギー差に応じた波長を持つ電磁波を放出します。その電磁波は放出した原子やイオンの様々な情報を運んでくれます。例えば電磁波の波長を調べる、つまり分光することで、原子やイオンの構造を知ることができ、それが量子力学の発展につながっています。
電磁波の持つ重要な情報の一つに偏光度があります。電磁波は電気と磁気が繰り返し振動することで伝わる波ですが、それらの振動方向がどの程度偏っているかが偏光度です。白熱電球の明かりは振動の方向がランダム、つまり無偏光であるのに対して、レーザー光は振動の方向が揃っている、つまり偏光している光の典型例です。偏光度を調べることで、それを放出した原子やイオンの中の電子がどの方向に運動していたかという「向き」に関する情報を得ることができます。そのため、原子やイオンの性質を詳しく調べるためにも重要ですし、原子やイオンのいる物質や環境の異方性を知るためにも役立ちます。
本研究では多価イオンという特殊なイオンが放出する高エネルギーX線の偏光度を調べました。原子は原子核のプラスの電荷とその周りを周る電子の数が等しく全体には中性ですが、電子を一つ取り去ると正の電荷を持ったイオンができます。さらに、多くの電子を取り去って出来る特殊なイオンが多価イオンです。多価イオンが放出する電磁波はエネルギーの高いX線が多く、そのX線の偏光度に対する知見を得ることは、多価イオンが多く存在する天体や核融合実験炉など高温プラズマの異方性を知るために重要です。しかし、高エネルギーX線の偏光度を測定することは大変難しい技術です。私たちの目に見える光（可視光）もX線も電磁波の仲間ですが、可視光の偏光度を測定する技術は確立しており比較的容易である一方、高エネルギーX線の偏光度については測定技術が確立していません。また、取り去る電子の数が多いほど多価イオンを生成する技術も大変難しいものとなります。

成果

電子が多価イオンに捕獲される際にX線を放出する過程には、①捕獲されると同時にX線を放出する過程（専門用語で放射性再結合過程）と、②捕獲された後多価イオンの周りを短い時間周ってからX線を放出する過程（専門用語で二電子性再結合過程）があります。前者は多価イオンの捕獲される電子のエネルギーがどのような値であっても起こる過程ですが、後者はある特定のエネルギーのときにしか起きません（このような過程を共鳴過程と言います）。本研究では後者の過程で放出されるX線の偏光度をEBIT-CCで調べました。それは、その遷移が原子物理の常識から無偏光であると考えられていたからです。宇宙観測用に開発されTokyo-EBIT実験用に改良されたEBIT-CCが、無偏光X線の偏光度を正しく０と測定するかどうかを確認することが当初の目的でした。しかし、いくら測定を繰り返しても結果は０ではなく大きな偏光度を示します。実験に何かおかしなことはないかと様々な試験と検討を繰り返しましたが、実験は正しく行われており、無偏光と思われていたX線が実は常識とは異なり大きな偏光度を有しているのだという結論に至りました。
そして常識を排除した理論解析を行った結果、実験で得られた予期せぬ大きな偏光度は、特異な干渉効果の結果であることが分かりました。ヤングの実験で有名な干渉効果は、等しい初期状態と終状態を持ちながら異なる経路を進む二つの波が互いに強め合ったり弱めあったりするものですが、光のような波だけでなく、量子力学における確率の波も干渉を起こします。今回観測された偏光は、上記①②それぞれの起きる確率の波同士が干渉した結果生じたものでした。その結論は以下の理由から驚くべきものです。まず、①は②に比べ確率が非常に小さい過程です。原子物理の常識では確率が大きく異なるもの同士の干渉効果は小さいはずですが、観測された偏光度は大きく、理論解析もそれを見事に再現しました。さらに、今回干渉した確率の二つの波の初期状態は角運動量の値が異なっており、つまり厳密には異なる初期状態を持つ二つの波が引き起こした特異な干渉であることも明らかになりました。

偏光度の計算と実験結果の比較

（論文情報）
雑誌名：「Physical Review Letters」
論文タイトル：Strong Polarization of a J=1/2 to 1/2 Transition Arising from Unexpectedly Large Quantum Interference
著者：Nobuyuki Nakamura, Naoki Numadate,Simpei Oishi,Xiao-Min Tong,Xiang Gao, Daiji Kato, Hirokazu Odaka, Tadayuki Takahashi, Yutaka Tsuzuki, Yuusuke Uchida, Hirofumi Watanabe, Shin Watanabe, and Hiroki Yoneda
DOI番号：10.1103/PhysRevLett.130.113001

（外部資金情報）
本研究は、科学研究費助成事業新学術領域研究「宇宙観測検出器と量子ビームの出会い。新たな応用への架け橋。」（18H05463、19H05187、21H00164）の助成を受けて行われました。

詳細はPDFでご確認ください。

• X線偏光で捉えた特異な量子干渉効果（PDF：479KB）