EPFL、量子レベルで時間を計る

March, 10, 2026, Lausanne--EPFLの物理学者たちは量子事象に関わる時間を測定する方法を見つけ、それが材料の対称性に依存することを発見した。

「時間の概念は何千年もの間、哲学者や物理学者たちを悩ませてきたが、量子力学の登場はこの問題を単純化していない」と、EPFLの物理学者Hugo Dil教授は語っている。「中心的な問題は、量子力学における時間の一般的な役割、特に量子遷移に関連する時間スケールである。」

トンネル効果や電子がフォトンを吸収して状態を変えるような量子事象は、驚異的な速度で起こる。中には数十アト秒で終わるものもあり、これは小さなウイルスの幅すら光が越えないほど短い。

しかし、これほど小さな時間間隔を測定するのは非常に困難で、外部のタイミングツールは観測したいものを歪めてしまう可能性があるからだ。「2023年のノーベル物理学賞は、われわれがこれほど短時間にアクセスできることを示しているものの、外部の時間スケールを使うことでアーティファクトを誘発するリスクがある」とDilは話している。「この課題は、蓄積された位相と時間の関連に基づく量子干渉法を用いることで解決できる。」

Dilは現在、量子事象における時間を正確に測定する方法を開発した研究を主導している。電子がフォトンを吸収して物質を離れると、スピンという形で情報を運ぶが、そのスピンは基礎となる量子過程の展開によって変わる。これらの微細な変化を読み取ることで、外部時計を使わずに移行にかかる時間を推測できた。

研究の筆頭著者Fei Guoは「これらの実験は外部の基準や時計を必要とせず、電子の波動関数が光子吸収時に初期状態から最終状態へと高エネルギーで進化するために必要な時間スケールを提供する」と述べている。

原理はこういうことである:光が電子を励起すると、電子は複数の異なる量子経路を同時にたどることができる。これらの経路は互いに干渉し、この干渉が放出された電子のスピンに特定のパターンとして現れる。そのスピンパターンが電子のエネルギーによってどのように変化するかを研究することで、チームは遷移の持続時間を計算できた。

この研究では、「スピン・アンド・アングル分解光電子分光法(SARPES)」と呼ばれる手法が用いられた。SARPESは、強烈なシンクロトロン光を材料に照射し、電子をより高いエネルギーに押し上げて物質の構造から外へ押し出し、その電子のエネルギー、方向、スピンを測定するものである。

研究チームは原子レベルで異なる「形状」を持つ材料を試験した。中には普通の銅のように完全に三次元的なものもある。一方、チタンジセレン化物(TiSe₂)やジテルリドチタン(TiTe₂)は弱く結合した層から構成され、平らなシートのように振る舞う。銅テルリド(CuTe)はさらに単純な鎖状構造を持っている。これらの違いにより、幾何学がタイミングにどのように影響するかを検証するのに最適である。

結果は明確なパターンを示した。物質の構造が単純で縮小されるほど、量子遷移は長く続いた。通常の3D銅線では、遷移は非常に速く、約26アト秒で続いた。

TiSe₂とTiTe₂の二層材料では、この過程は約140〜175アト秒まで明らかに遅くなった。そして、連鎖状の構造を持つCuTeでは、その移行は200アト秒を超えて伸びていた。つまり、物質の原子スケールの「形状」が量子事象の展開速度に強く影響し、対称性が低いほど遷移時間が長くなるということである。

Dilは次のように説明している。「光電子放出の時間遅延を決定する基本的な情報を得るだけでなく、われわれの実験結果は量子レベルで時間に影響を与える要因や、量子遷移がどの程度瞬時的と考えられるかについてさらなる洞察を提供し、量子力学における時間の役割を最終的に理解する道を開くかもしれない。」

これらの発見は、物理学者に量子過程における時間の振る舞いを理解する新たな方法を提供する。また、複雑な材料内で電子がどのように相互作用するかを探るツールも提供する。量子遷移がどれくらい続くかを知ることは、科学者が特定の量子特性を持つ材料を設計し、量子状態の精密制御に依存する将来の技術を向上させるのに役立つ。