前回に引き続き、2019年度の15号目のネイチャーのハイライトより。
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光物理学：真空のゆらぎ
Nature 568, 7751
2019年4月11日
電磁場の基底状態、すなわち真空状態は、これまで考えられてきたほど「不活性」ではない。実際には、電場ゆらぎは全ての周波数で空の空間に浸透する。しかし、こうしたゆらぎは、強度検出器では直接測定できないため、これまでは主としてその存在を示す間接証拠に頼る必要があった。今回I Benea-Chelmusたちは、極低温環境に埋め込んだ非線形結晶における電気光学検出に基づく方法によって、テラヘルツ周波数領域の真空ゆらぎの空間的コヒーレンス特性と時間的コヒーレンス特性を、直接調べた結果を報告している。そのデータから、電気光学検出の帯域幅内にある電磁放射基底状態のスペクトル成分が得られた。今回採用したショット雑音限界の測定を可能にする方法によって、極めて強い結合領域の発光や、光と物質が結合したさまざまな系のさらなる研究が促進される可能性がある。
NEWS & VIEWS p.178
LETTER p.202
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この論文はネイチャーのニュースにも取り上げられました。
日本語版本誌においては、「光物理学：量子真空に検出された相関」と題されています。
見出しにおいては、「量子力学によって記述されるような真空は、おそらく物理学における最も基本的だが最も不思議な状態である。今回、そうした真空における電場のゆらぎの間に相関が発見され、大きな進歩になった。」と取り上げられました。
直訳しますと・・・
量子真空で検出された相関
となり、見出しを直訳しますと・・・
量子力学で説明されている真空は、おそらく物理学で最も基本的ですが神秘的な状態です。このような真空中の電界変動間の相関関係の発見は、大きな進歩を表しています。
となり、本文を直訳しますと・・・・
量子力学における驚くべき結果は、真空が空ではないということです。パーティクルは、非常に短時間、何もないところから出現する可能性があります。この現象は、エネルギーと時間の不確定性原理の結果として理解できます。これにより、測定を非常に短い時間間隔に制限すると、間隔内のエネルギーに大きな変動が生じます。これらの「仮想」粒子の間接的な影響は十分に研究されていますが、粒子が「実際」になり、直接観察できるのは、非常に短いタイムスケールで真空をプローブすることによってのみです[1]。しかし、これらの粒子は完全にランダムに現れるでしょうか、それとも空間と時間で相関しているでしょうか？ Benea-Chelmus et al.[2]は、自然界での執筆で、真空の電場の変動間の相関関係の証拠を見つけることにより、この質問に対する答えを提供しています。
フィールドの相関関係を測定する1つの方法は、英国の物理学者Thomas Young[3]の二重スリット実験など、干渉によるものです。この実験では、光波が2つのスリットを通過し、互いに干渉して、画面上に干渉パターンを生成します。この単純ですが深遠な実験は、もともと波動効果を調べるために開発され、後に量子物理学における粒子と波動の二重性を明らかにするために使用されました。過去には、光子、電子、原子、大きな分子に対して、二重スリット実験のバリエーションが実現されてきました[4]。現在の試みでは、ウイルスなどの生物学的オブジェクトに対するマルチパス干渉も探しています[5]。
比較的直感に反する企業は、真空の分離された部分間の干渉を検索することです。 Benea-Chelmusらは、まさにこのタスクに実験的研究を捧げました。彼らの研究の簡単で概念的な物理的説明については、マッハツェンダー干渉計[6]と呼ばれる機器に基づく二重スリット実験のバージョンを検討してください（図1a）。さらに、議論を時間的相関に限定し、熱放射が干渉計に入射する場合を考えてみましょう。
この設定では、放射はビームスプリッターによって2つの等しい部分に分割されます。 2つの部分は、干渉計の独自の「アーム」内を伝搬してから、2番目のビームスプリッターを通過し、2つの検出器によって収集されます。アームの1つには、遅延線と呼ばれるデバイスがあります。これは、一方の部分の他方に対する伝播に可変の時間遅延を導入します。放射線の相関特性は、時間遅延の関数として、いずれかの検出器によって測定された強度の変化から決定することができます。強度が特定の最大値とゼロの間で振動する場合、完全な干渉パターン（最大の可視性にあるもの）が観察されます。
熱放射は完全に無秩序ですが、このようなセットアップでは、わずかな時間遅延でほぼ完全な干渉パターンが見られます。ただし、時間遅延がコヒーレンス時間と呼ばれる温度依存量よりも大きくなると、最大値に対する振動の振幅は急速に減衰し、最小値はゼロではなくなります。 Benea-Chelmus etal。ほぼ室温（300ケルビン）での実験でこの動作を観察し、コヒーレンス時間が理論的予測と一致することを発見しました。
温度が数ケルビンに下がると、そのような実験に関連するテラヘルツ周波数範囲の放射が抑制されます。たとえば、4 Kでは、周波数が0.2THzを超える光子は事実上ありません。その結果、標準的な設定では、振動の最大振幅はゼロに低下し、相関関係の証拠はありません。注目すべきことに、Benea-Chelmusらは、4 Kでのセットアップのバージョンでも相関関係を観察できることを発見しました。彼らは、これらの信号を真空の電場における相関関係の直接的な兆候として解釈します。
著者は、洗練された検出スキームにより、この偉業を達成しました。非線形光学として知られる研究分野に基づいて、このスキームは、修正されたマッハツェンダー干渉計の観点から描くことができる2つの主要なコンポーネントを同時に提供します（図1b）。 1つ目は、超短時間ウィンドウで電界を「観測」する時間ゲートと呼ばれる要素のペアです。2つの観測は、時間遅延によって異なります。 Benea-Chelmusと同僚の実験では、これらのゲートは、非線形光学結晶の真空と相互作用する近赤外光の補助超短パルスによって実装されています。 2つ目は、時間ゲートを通過した電界とこれらの電界の相関に直接敏感な1対の検出器です。
Benea-Chelmusらは、振動の最大振幅はゼロではありませんが非常に小さかったため、測定によって引き起こされたランダムな変動（ショットノイズ）から相関を識別できるようにするには、時間遅延の各値で最大1兆の個別の検出イベントが必要でした。 。このような多数のイベントは、80MHzの繰り返しレートで約3時間かかりました。さらなる調査に値する実験の興味深い側面は、測定フィールドに対する時間ゲートの使用を含む検出手順の影響です。これは、量子逆作用と呼ばれる現象です[7]。
以前の研究では、光速が有限であるため、時空ダイヤモンドと呼ばれる時空の制限された領域からのみ情報にアクセスできる、仮想の短命の観測者のために、光子が真空中でどのように実体化するかについて説明しました[8]。このような設定で複数の観測者を考慮することにより、光子はエンタングルメントと呼ばれる量子相関を示すことが示されています[9]。量子光学の分野は、光学場の振幅と強度の相関関係を精査する簡単な実験から始まりましたが、現在では、初期の量子技術における高度なエンタングルメントベースのプロトコルを目撃して適用しています。おそらく、著者の結果は、時空の真空と相互作用する光物質システムの重要な基底状態に隠されている絡み合いをいつか観察して制御する超高速量子光学への第一歩です。
・・・となります。
フルテキストは下記です。
Full Text：NEWS & VIEWS p.178
Correlations detected in a quantum vacuum
本論文においては、日本語版本誌では、「光物理学：電磁真空状態での電場相関の測定」と題されています。
直訳しますと・・・
電磁真空状態の電場相関測定
となり、Abstractを直訳しますと・・・
量子力学は、すべての周波数で空の空間に浸透する電磁放射[1]のゼロ点電場変動の基底状態に起因します。システムの基底状態からエネルギーを抽出することはできないため、これらの変動を強度検出器で直接測定することはできません。したがって、それらの存在の実験的証拠は、ラムシフト[2,3,4]、近接導体間のカシミール力[5,6,7]、または自発的放出[1,8]などのより間接的な証拠から得られました。真空場の変動のスペクトル特性を決定する直接的な方法は、これまで欠けていました。ここでは、極低温環境に置かれた非線形結晶で電気光学検出[9]を使用して、テラヘルツ周波数範囲のこれらの変動に対する電界相関の直接測定を実行します。時間遅延と空間距離がゼロの場合、ピーク値は1平方メートルあたり6.2×10^-2ボルトの二乗であり、0.25ボルト/メートルの変動する真空場[10,11]に対応する時間的および空間的コヒーレンスを調査します。この測定により、電気光学検出の帯域幅内の電磁放射の基底状態のスペクトル成分を決定します。
・・・となります。
フルテキストは下記です。詳細が必要な方はご購入をお願いいたします。
Full Text：LETTER p.202
Electric field correlation measurements on the electromagnetic vacuum state
Data availabilityによりますと・・・
図1および2に関連する生データ。 2b、c、3a–eおよび4a、bは原稿に付属しています。この研究の結果を裏付ける他のデータは、合理的な要求に応じて対応する著者から入手できます。
究極に溜まりに溜まっているネイチャー。次回は、「社会科学：道徳を説く神と複雑な社会」を取り上げます。
※6日は父の月命日及び夫婦墓建設の契約（？）、7日は家事に追われ、8日は主治医の所への通院、9日は歯医者の通院となっておりますので、活動が停滞するかもしれませんが、その時は申し訳ございません。
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