ホーム > 光を学ぶ > 単一光子のふしぎなふるまい

単一光子のふしぎなふるまい

単一光子のふしぎなふるまい

1807年にヤングは干渉実験によって光の波としての性質を確かめました。
さらに、同じころ、光が波であるとして、それは電波と同じ「よこ波」だろうか?
それとも音のような「たて波」だろうか?
その答を見つけたのはフレネルとアラゴでした。
この実験には、当時から知られていた「偏光」という概念が用いられました。
このページでは、「偏光」を用いた実験を紹介します。

光は、「よこ波」

音は、波の媒体である空気を伝搬する時、その進行方向に粗密な部分が振動する「たて波」です。スピーカーは前後方向に振動することによって音を発生させており、「たて波」であることが分かります。

フォトン(光子)の二重性 で紹介したヤングの干渉実験では、光が「たて波」であったとしても干渉縞は発生する様子を説明できますが、フレネルとアラゴは、当時からすでに知られていた「偏光」という概念を用いた干渉実験を行い、光が「よこ波」であることを証明しました。ここに光の真の姿のもう一面が明らかになりました。
たて波?よこ波?
よこ波?たて波?

偏光を図で理解してみると

始めに「偏光」とは何かを学んでいただくために、光が電波と同じ「よこ波」であることが分っているとして、偏光の説明をします。図A-1は、光がZ方向に進み、その振動方向が地面に対して鉛直(上下)の方向である時の様子を示しています。この時、光の偏光は直線偏光であり、その方向は鉛直であると言います。図A-2は、振動方向が水平であり、水平の直線偏光の状態を示しています。図A-3は、垂直の直線偏光と、水平の直線偏光が一緒に進んでいる時の様子を示しています。二つの電界はベクトル的に合成されるので左斜め45°に傾いた直線偏光となります。図A-4は、図A-3と比べると水平偏光の波が反転しています。この場合、合成された波の傾きは図A-3と異なり、右斜め45°に傾いた直線偏光です。次に図A-5をご覧ください。これは鉛直の波の位相が図A-1と比べて90°ずれています。この場合、合成された波はくるくると回転しています。これを円偏光といいます。最後に図A-6では、図A-1から-90°位相がずれています。この場合、同じ円偏光ですが、その回転方向が逆転しています。このように、水平と垂直の二つの波であっても、両者の位相関係によって合成した時の偏波面の様子は大きく変化します。なお、偏光子を透過すると、入射する時の「よこ波」がどのような状態であったとしても、偏光子の方向を持つ直線偏光になってしまいます。
図A-1:鉛直の直線偏光
図A-1:鉛直の直線偏光
図A-2:水平の直線偏光
図A-2:水平の直線偏光
図A-3:左斜め45°の直線偏光
図A-3:左斜め45°の直線偏光
図A-4:右斜め45°の直線偏光
図A-4:右斜め45°の直線偏光
図A-5:円偏光(右回り円偏光)
図A-5:円偏光(右回り円偏光)
図A-6:円偏光(左回り円偏光)
図A-6:円偏光(左回り円偏光)

フレネル・アラゴの実験

ここまでで偏光を理解できましたので、もう一度、始めに戻って、光が偏光を持つ「よこ波」であることを証明したフレネル・アラゴによる実験を説明します。

フォトン(光子)の二重性 で紹介した単一光子のヤングの干渉実験では、ダブルスリットを透過する光によって波の性質を示す干渉縞が現れました。この実験では、光子はたった一個の粒子であるのにもかかわらず、二つのスリットの両方を同時に通過でき、波としての性質を示す干渉縞を作り出しました。この結果から、光子は粒子でもあり波でもある、すなわち二重性を示していることが分かります。

次にフレネル・アラゴの実験系を図Bに示します。ヤングの干渉実験との違いは、ダブルスリットのそれぞれに右45°傾いた偏光子と左45°傾いた偏光子がそれぞれ貼ってあることです。このため、それぞれのスリットから出てくる「よこ波」である光の偏光は互いに直交した独立した成分です。図のピンクの矢印と緑の矢印が偏光の向きを示しています。図B-1では、ピンクと緑はお互いに直交しています。この場合、スクリーン上には干渉縞は現れません(図B-1)。<参考:日経サイエンス2012年3月号32「光子の逆説」>

この結果は以前に フォトン(光子)の二重性 で説明したヤングの干渉実験の結果とは異なりますね。どうして干渉縞が現れないかが分りにくいですが、後ほど、別の言い方で補足説明します。

次に、図B-2に示すようにダブルスリットの後ろに鉛直方向(上下方向)の検光子(偏光子と同じですが、光路上に幾つかの偏光子を並べる時、最後の1個を検光子と呼びます)を置きます。この時は、何が起こるでしょうか?右のスリットから出た光の偏光(振動方向)は右に45°傾いていますが、検光子を通り抜けた時、振動方向は鉛直(上下)に変わります。同様に、左のスリットから出た光の偏光も、振動方向は鉛直(上下)です。従って、この場合は最後のスクリーン上では同じ上下方向の偏光なので干渉した結果、干渉縞が現れます(図B-2)。
図B-1:検光子なし
図B-1:検光子なし
図B-2:検光子が鉛直
図B-2:検光子が鉛直
次に検光子を回転させて右に45°傾けてみましょう。この場合、左のスリットを通り抜けた「よこ波」は検光子を通り抜けられませんので、右のスリットのみの光ですから干渉縞が現れません(図B-3)。逆に図B-4のように検光子を左に45°傾けた場合も、左スリットのみですから、同様に干渉縞は現れません。
図B-3:検光子が右斜め45°
図B-3:検光子が右斜め45°
図B-4:検光子が左斜め45°
図B-4:検光子が左斜め45°
次に、検光子を水平に設定します。ここでは両方のスリットを通り抜けた「よこ波」は同じ偏光です。ただし、この時、光の「よこ波」の向きに矢印があることに着目してください。水平の偏光は同じですが、矢印の向きが逆ですね。これは「よこ波」の山と谷が反転したことを示しています。この時に観察される干渉縞は、その明暗が逆転しています(図B-5)。ヤングの干渉実験では干渉縞の中心が暗くなることはありません。偏光というものを使って干渉実験を行った結果、干渉縞の明暗をよく比べてみることで、光が進行方向に対して垂直に振動している(そして振動には向きがある)ものだということが確かに分かるのです。こうして、光が「よこ波」であるという、光のすがたの一つの真実が明らかになったのです。

最後に、一番最初の図B-1についてもう一度、別な言い方で説明します。この実験では、検光子はありませんが、図B-2と図B-5にならって、ダブルスリットのそれぞれを通り抜けた左45°と右45°の2つの偏光の「よこ波」を、それぞれ上下2つの偏光と水平2つの偏光の合計4つに分けて考えみましょう。上下の2つによって現れる干渉縞は図B-2に示したように中心が明るいです。一方、水平の2つによって現れる干渉縞は図B-5に示したように中心が暗いです。その明暗の位置がずれている2つの干渉縞が重なった結果、全体としては干渉縞が消えてしまったと言えます。この説明でお分かりでしょうか?
図B-5:検光子が水平
図B-5:検光子が水平
図B-6:図B-1の補足説明
図B-6:図B-1の補足説明。検光子が鉛直であるときのスクリーン(図B-2)と、検光子が水平であるときのスクリーン(図B-5)を重ね合わせてみる。2つは干渉縞の明暗がちょうど反転した状態なので、重ねると暗い部分がなくなり、明るい部分だけになる。その結果として干渉縞が現れない状態になる(図B-1)

短パルス光の単一フォトン

フォトン(光子)の二重性 でご紹介した「単一フォトンによるヤングの干渉実験」では、ハロゲンランプなどの連続光をどんどん暗くして光が一粒しかない状態(単一光子状態)を作り出しました(図C-1)。しかし、元のフォトンが連続光ですから、量を減らしたとしても細長く空間的に広がったフォトンである恐れがあります。その場合、暗くしたとしても前後の連続するフォトン2つによって干渉縞ができるとの心配があります。この課題を解決するために、浜松ホトニクスはパルス光を使って実験しました(光学, 20 (1991) 108-111.)。パルス光と言っても、短パルス光と言われるものであり、時間的には40 ps(ピコ秒=1兆分の1秒)であり、その空間的な長さは12 mmです。また、パルスの繰返し周波数は10 MHzですので、パルスの空間的な間隔は30 mです。すなわち、長さ12 mmのフォトンの塊(光パルス)が30 m間隔で並んでいる訳であり、お互いのパルスは互いに重なりあうことは絶対にありません(図C-2)。この状態で光をどんどん暗くして、光パルスの中に1個よりも少ないフォトンしかない短パルス単一光子状態を作ります。これによって、先ほどの課題は解決されました。この状態でヤングの干渉実験をした結果は、…連続光の場合と全く同じで、短パルス光の場合でも一粒のフォトンが2つのスリットを同時に通過して干渉縞が生じるという結果でした。ここでもやはり、フォトンは粒であると同時に波の性質を示していたのです(図C-3、動画1)。
図C-1:連続光
図C-2:短パルス光
図C-3:短パルス光のヤングの干渉実験
図C-3:短パルス光のヤングの干渉実験
動画1:「短パルス光を用いた単一フォトンによるヤングの干渉実験」(浜松ホトニクス/1990年)

浜松ホトニクスにおける実験(短パルス単一光子状態におけるフレネル・アラゴの偏光干渉実験)

次に、この短パルス単一光子状態で偏光干渉実験をしました(光学, 21 (1992) 165-168. 図D)。偏光条件をいろいろと設定した6つの結果を示します。具体的には、図E-1:検光子がない場合、図E-2:検光子が鉛直方向、図E-3:検光子が水平方向、図E-4:検光子が右斜め45°方向、図E-5:検光子が左斜め45°方向、図E-6:ダブルスリットに入射する光が円偏光の場合(検光子は図E-2と同じ)です。

図B-6で見たように二つの互いに直交する偏光は干渉しないので、図E-1は干渉縞は発生しません。つまり、両方のスリットからの光が観測されており、左右に広がって見えます。図E-2はヤングの干渉実験と同様に干渉縞が見えます(動画2)。図E-3は図E-2と明暗が反転しています。図E-4は右のスリットからの光のみが透過するため、左に偏っています(カメラだと左右が反転して見える)。図E-5は図E-4と左右が逆です。最後の実験では、通常のフレネル・アラゴの偏光干渉実験を発展させて、円偏光の光を用いました。具体的には、ダブルスリットの手前に1/4波長板を追加設置しました。結果を図E-6に示します。この状態では、ダブルスリットのそれぞれに通り抜ける偏光成分に1/4波長の位相ずれが発生します。こうすると、干渉縞も1/4波長だけ横にずれて、画面の中心が干渉縞の明暗のちょうど中間になりました。
図D:短パルス単一光子状態におけるフレネル・アラゴの偏光干渉実験
図D:短パルス単一光子状態におけるフレネル・アラゴの偏光干渉実験
図E-1:検光子がない場合、干渉縞が現れない
図E-1:検光子がない場合、
干渉縞が現れない
図E-2:検光子が鉛直方向の場合、干渉縞が現れる
図E-2:検光子が鉛直方向の場合、
干渉縞が現れる
図E-3:検光子が水平方向の場合、干渉縞が現れる(図E-2とは明暗が反転する)
図E-3:検光子が水平方向の場合、干渉縞が現れる
(図E-2とは明暗が反転する)
図E-4:検光子が右斜め45°の場合。干渉縞は現れない
図E-4:検光子が右斜め45°の場合。
干渉縞は現れない
図E-5:検光子が左斜め45°の場合。干渉縞は現れない
図E-5:検光子が左斜め45°の場合。
干渉縞は現れない
図E-6:ダブルスリットに入る光を円偏光にした場合。画面の中心が干渉縞の明暗のちょうど中間になる
図E-6:ダブルスリットに入る光を円偏光にした場合。画面の中心が干渉縞の明暗のちょうど中間になる
動画2
動画2:「短パルス単一フォトン状態におけるフレネル・アラゴの偏光干渉実験」(浜松ホトニクス/1990年)
それでも残る謎…フォトンの性質はいつ決まるのだろうか。

この実験では、不思議に思えることがあります。ヤングの干渉実験では、1つの光子が二つのスリットを同時に通り抜けて、スクリーン上で粒子として観測した結果として、波の性質を示す干渉縞が生じました。フレネル・アラゴの干渉実験では、二つのスリットを通り抜けた後の光子の偏光が、それぞれ右斜め45°と左斜め45°の「よこ波」です。良く考えてみてください、1個しかない光子が二つの直交する偏光を同時にとるとはどういうことでしょうか?さらに、検光子を通り抜けた先の状態では何が起こるのでしょうか?

ヤングの実験では、光子は空間を人に見られないで飛んでいる時は波として広がっているが、スクリーン上で観測された瞬間に粒子になって波は消えてしまうと考えました<波束収縮説>。しかし、フレネル・アラゴの実験では、検光子を抜けた時に既に干渉するかどうかが確定してしまうので、<波束収縮説>では、説明できません。
※この記述は正しくないことがわかりましたので削除訂正させていただきます。(2021年2月16日追記)

光が「よこ波」であるという、光の真の姿のひとつが分かったと同時に、その進化型とも言える「偏光」を使った実験を通しても、フォトンはもっとふしぎなふるまいを見せました。フォトンの真の姿を追いかける私たちにとって、それはもっともっと深淵へと私たちを誘っているかのようです。まさしく、アインシュタインが「For the rest of my life, I will reflect on what light is.(私の残りの人生では、光が何であるのかを追究する。)」(1917年)と言ったように、光は、私たちのチャレンジをひきつけてやまない存在なのです。

〈監修〉
高橋先生