アト秒科学で波動関数をみる

2023年ノーベル物理学賞受賞「アト秒科学」最新解説

２１世紀はアト秒の時代―。様々な物質や生物などを構成している原子・分子・電子の性質は、ニュートン以来の古典力学では説明ができず、２０世紀初頭に発展した量子力学により明らかにされてきた。特に、電子や分子などの波としての性質をあらわす波動関数は、量子力学・量子化学の中心的な概念であり、また分子の構造や化学反応を説明するために重要である。しかし、波動関数は一般に複素数であらわされるために、その理解が難しい。一方、２１世紀になり「アト秒科学」が新たに構築された。アト秒とは時間の単位で、１アト秒は１０のマイナス１８乗秒に相当する。アト秒時間領域での測定が可能になることで、量子力学による計算でしかわからなかった電子のダイナミクスや、電子の波動関数を可視化できるようになった。アト秒科学は従来のレーザー分光とは異なる方法が用いられており、化学反応の研究だけではなく、現在、アト秒科学を用いた新たな量子テクノロジーの開発が進展している。本書では、初めに量子力学・量子化学の基礎と波動関数とは何かについて解説し、次に、アト秒科学の基礎的な概念や測定法と、それを用いた波動関数の可視化について、実際にアト秒科学の構築に貢献した筆者が歴史的な経緯をもとに解説する。