どうも！科学ヤバイch中の人のキャベチです。

今回は「光を1分間停止させることに成功」というテーマで動画をお送りしていきます。

●光を1分間停止させる技術

2013年7月、ドイツ ダルムシュタット大学のゲオルグ・ハインツェ氏をリーダーとする研究チームは物質中に光を1分間停止させるという記録を達成しました。

今回の研究では、３本の光の線のイメージを最大１分間、結晶の中に保存することに成功しました。

●光を停止させるとはどういうことか？

真空中での光の速さは1秒間に約30万キロメートルで一定です。

しかし、物質中での光の速さは物質の種類により異なり、真空中より遅くなります。

なぜ、物質中の光は進むのが遅くなるのでしょうか？

物質は原子から成りたっています。

そして、原子は原子核と電子から構成されています。

原子核はプラスの電荷、電子はマイナスの電荷を持っています。

光は電磁波なので、物質中を通るときに電荷を持つ電子を振動させるのです。

物質中の光は電子と干渉しながら進むので、真空中より遅くなります。

光が物質中を通るのはガラスなどの透明な物質の場合です。

それでは、光を通さない物質の場合はどうなるでしょうか？

光を通さない（不透明な）物質の場合、光は物質に吸収または反射されます。

光が物質に吸収される場合、光は物質中の電子に吸収されます。

光のエネルギーは電子がより高い軌道に移動するために使われます。

その後、電子はエネルギーを熱として放出して元の軌道に戻ります。

光が物質に反射される場合、光はいったん物質中の電子に吸収されエネルギーの高い軌道に移動します。

しかし、吸収した光をすぐに再放出し、元の軌道に戻ります。

どの波長の光を吸収、反射、透過させるかは物質の種類によります。

例えば、銀（Ag）の場合、目に見える波長の光（可視光線）は全て反射します。

したがって金属光沢がありますが色は無色です。

金（Au）の場合、緑色より短い波長の光が金属中の電子に吸収されます。

それ以上の波長をもつ黄色光を中心に反射されます。

ダイヤモンドの結晶では、炭素原子が電子を共有し合うことによって強く結合しています。

この状態の電子を動かすには可視光線ではエネルギー不足です。

したがって、可視光線はダイヤモンドには吸収されずに結晶中を通過します。

光が物質によって吸収される場合、物質中の電子によって光が捕獲されているので、光の速度はゼロになったと言えます。

光が物質によって反射される場合、電子に一時的に吸収されていた一瞬の間、光の速度がゼロになっています。

光の吸収の場合は、光は物質中に吸収されて再び放出されることがありません。

光の停止時間は無限大です。

光の反射の場合は光は物質中で一瞬停止し、再び反対方向に同じ速度で進みます。

（光の停止時間はゼロです。）

●今回の実験のメカニズム

今回の研究の目標は物質中で光が停止している時間をゼロや無限大ではなく、有限な値にするというものです。

研究チームはある特殊な結晶を用いて実験しました。

その結晶は通常では不透明ですが、レーザー光線を当てると透明になる性質をもっています。

実験の手順としては、次のようになります。

まず、結晶にレーザーを当てて透明にします。

透明になった結晶に捕獲対象の光を照射します。

最初のレーザーを消して結晶を不透明にします。

その結果、光は結晶の中に閉じ込められたのです。

結晶が不透明になっているので、光が外に出られない状態になっています。

結晶の中に閉じ込められた光のエネルギーは結晶の電子のスピンのエネルギーに変換されました。

スピンとは電子の「自転」のようなものです。

そして、再び結晶を透明にすると光として再放出されました。

約60秒の間、結晶の中に光が保存されていました。

●今回の研究はどのように役立つか

今回の研究成果によって、量子コンピュータのメモリの性能が大きく向上する可能性があります。

量子コンピュータは、物質やエネルギーの最小単位である「量子」の持つ性質を利用したコンピュータです。

現在の量子コンピュータには、事実上計算を行う「演算装置」しかなく、量子情報を記憶する装置が存在しません。

量子の情報は外部環境からのノイズにより壊れやすくなっています。

そのため量子状態を保存する量子メモリは現在のところ保存時間が短く、実用レベルに達していません。

光も光子と呼ばれる量子からできています。

光を1分間停止させる技術は量子メモリとしてそのまま応用できます。

量子メモリの実現は、長距離量子ネットワークの創造につながります。

長距離量子ネットワークとは量子テレポーテーションを利用した量子コンピュータのネットワークのことです。

量子リピータと呼ばれるデータの中継を行う機器には数十秒以上の光の保存時間が必要になります。

量子メモリが実現すると、量子コンピュータのインターネットが誕生します。

量子ネットワークでは絶対盗聴できない通信の究極の安全性が保障されるといいます。

●光の進行をとらえた映像

今回のテーマは光を停止させる話でしたが、秒速30万キロメートルで進んている光の様子を捉えた映像があります。

CalTechの研究者たちは、MITのカメラの10倍である、10兆fpsのカメラを開発し、光が移動するのを撮影しました。

10兆fpsなので、1秒間に10兆フレーム撮影したという意味です。

以下の動画で詳細に解説しているので、併せてご覧ください。