自然界では互いに反発するナトリウムとセシウムの原子。ハーヴァード大学の化学者チームが、これら単一の原子をコントロールして化学結合させることに成功した。自然界に存在する最も基本的な化学反応のひとつである単一の化学結合の形成は、原子が結合するメカニズムの解明に近づく貴重な研究結果だ。その成果が量子コンピューターへの応用も期待されるという今回の実験は、いかに行われたのか。KAWAHARA/GALILEOWIRED(US)Tweet2つの原子を真空槽に入れてレーザーを使って結合させた。「罠にかかった」分子たちだ。WAITEハーヴァード大学の化学者カンクェン・ニーが行う実験は、主役が「針の先に乗る」ほど極小で、所要時間はほんの一瞬だ。それぞれが細菌の10,000分の1ほどの大きさである単一原子、ナトリウムとセシウムを1個ずつ捕捉する。この原子同士を極めて慎重に結合させると、単一の分子「ナトリウムセシウム」になる。これは、あり得そうもない組み合わせだ。自然界という宇宙のロマンティックコメディでは、ナトリウムとセシウムが互いに引かれ合うことは、ほとんどない。どちらの原子も陽イオンになる傾向があり、実際には互いに反発し合うからだ。数年に及ぶ研究を重ねた結果、ニーの研究チームは原子を「罠にかけて」この結合を成立させる方法を編み出した。ほかの原子をできるだけ少なくした真空槽にナトリウム原子とセシウム原子を入れ、レーザーを使って原子同士を強制的に接近させるのだ。チームは研究結果を、今年5月25日付けで『サイエンス』誌に発表した。3種類の原子の混合物が、糖、アルコール、ホルムアルデヒドのどれになるかは、原子の結びつきによって決まる。ローレンス・バークレー国立研究所の物理学者であるダニエル・スローターは、「単一の化学結合の形成は、自然界に存在する最も基本的な化学反応のひとつです」と話す。「ある意味、チームは最も純粋なかたちの化学反応を起こしたのです」いまだ詳細に描写できない原子の結合ニーのチームは、これを成し遂げるのに数年を要した。その理由は、原子2個だけの反応が、通常の化学実験とは異なるからだ。化学者は通常、粉剤や溶液を特定の濃度と順序で混合・加熱する方法で、新たな分子をつくる。10の23乗個も存在する原子が、ランダムな衝突によって結合すると信じて、この方法を取るわけだ。通常の化学実験では、特定の原子間の衝突がより起きやすくなるように反応を設計するかもしれない。原子間の結合をひとつずつ慎重に組み立てたりはしない。ニーのチームは、多種多様な化学物質を大量につくろうと試みていたわけではなかった。チームが目指したのは、2個の単一原子同士というただひとつの特定の組み合わせを構成できると証明することだったのだ。化学結合のイメージを描くために、原子が微小な原子核と、その周囲に大きく広がる電子の雲で構成されていると想像してみよう。実際には、原子は化学の授業で遊んだ組み立て玩具的な模型とは異なるのだ。2個の原子が接近すると、各原子の電子雲が互いに押し合って、ときにはこの2個の原子が1個の粒子としてふるまい始めることがある。専門家らは、いまだにこの過程を細部にわたって説明できない。1個の原子がもう1個の原子に少しずつ近づき、ついには2つが1つになる。この過程がスローモーションではどんなふうに見えるのかを、いまだに詳細に描写できないのだ。「分子物理学と分子化学の分野でわれわれが抱いている夢のひとつは、化学結合を実際に描写することです。化学結合とは何かを、本当に理解することなのです」とスローターは語る。スローターは自身の研究では、ニーの実験の逆を実行している。分子を分離させるのだ。「小型の分子から始めて、レーザーを使ってばらばらに分裂させたあと、この破片を調べます」とスローターは説明する。した「破裂」現象を科学捜査的に調べることにより、化学結合に関する知見が得られるのだ。特殊な装置で完全自動化された実験ニーのチームは、1個の分子をつくるために特別な装置を製作した。レーザーとレンズ、真空槽、検出器および電線コイルで構成される装置だ。装置を完成させるには、多数の試験が必要だった。分子1個の生成を可能にするには、単一原子を移動させる方法を編み出す必要があった。単一原子の移動を可能にするには、原子を捕捉する方法を編み出す必要があった。「単一原子を捕捉するのは、巨視的な物体をつかむようにはいかないのです」と、ニーは言う。チームはまず小型の容器をいくつか用意して、それぞれの容器に固体のナトリウムとセシウムを入れ、高真空状態の小型試験槽の中に置いた。この容器を加熱すると、ナトリウムとセシウムの各原子は気体の状態になる。次に、強く集束したレーザーを使用して、気体中の個々の原子を移動させていく。基本的な仕組みとしては、レーザーの光子が原子を特定の方向に少しずつ動かして、最終的に試験槽内の特定のエリアに閉じ込める。このエリアは、原子1個のみを保持するように設計されている。次に、隔離したナトリウム原子1個とセシウム原子1個を互いに接近させる。レーザーを使って、化学結合を形成するための追加エネルギーをいくらか、ナトリウムとセシウムに与える。すべて順を追って機能させるために、これらをコンピューター上で自動化している。「すべてを正確に微調整しなくてはなりません。詳細事項が多すぎるのです」とニーは話す。「量子コンピューター」に応用できる可能性もニーの実験装置は、ナトリウムセシウム分子の生成に特化した設計になっている。ナトリウムとセシウムを選んだ理由のひとつは、どちらも比較的単純な原子で、化学反応に関与する自由電子を1個しかもたないからだ。ひとつの理由は、ナトリウムとセシウムに関する先行した研究が多数存在することである。ニーのチームは、これらの原子を操作するために開発されたレーザーを、今回の研究で利用できた。ニーの技術は、より複雑な原子を用いて別の分子をつくるように改良できるかもしれない。「二酸化炭素や窒素ガスなどの分子をつくるためにこの技術を利用できるかもしれない」と、スローターは考えている。これらの分子は、現実の世界では容易に形成される。分子を構成する個々の原子は、ナトリウムとセシウムに比べて制御がはるかに複雑だ。いえ現在のところ、ニーはナトリウムセシウムにこだわり続けている。それは、未来の技術に有用かもしれないと考えているからだ。「この分子は、ぜひとも後押ししたい素晴らしい特性をすでに備えているのです」と、ニーは指摘する。ナトリウムセシウムは、分子を操作して特定の配置にし、その状態をしばらく保持させておくのが比較的容易だ。この分子が扱いやすい量子粒子であることが判明すれば、話題の「量子コンピューター」の構成要素として有用になるかもしれない。ナトリウムとセシウムの「相性の良さ」は否定できないのだ。s9+」の可能性PROMOTIONAudiが考えるモビリティの未来が、次世代コンセプトの「四重奏」から見えたPROMOTIONこれまでにない「新しい材料」を生み出す。それがよりよい社会をつくるから。──小川由希子PROMOTIONデジタルは当たり前。2019」授賞式フォトレポートPROMOTION深圳という「母なる大地」で闘い続ける。そのために、マイクはステージに置いてきた。