1万個の原子からなる金属の微粒子が、二つの場所に同時に保たれた

物理学者たちが、最大1万個の原子からなる金属粒子を、わずかに離れた2つの位置に同時に存在する状態に置いた。クラスターはほとんど目に見えない大きさ — およそ8ナノメートル — だが、これまで検証された量子重ね合わせに保たれた何よりはるかに大きく、はるかに重い。教科書的な奇妙さは普通、単一原子や小さな分子に限られるが、それが現実の固体金属の塊で示されたのはこれが初めてだ。

量子重ね合わせとは、粒子が周囲から十分に隔離されている限り、まるで一度に複数の場所にあるかのように振る舞う状況のことだ。シュレーディンガーの猫が一般向けの絵だが、実験室版はそれよりもずっと地味で、ずっと雄弁だ。粒子を精密に並べた障害物に通し、どこに着地するかの模様を見る。自分自身と干渉すれば、途中で2つの場所にいたことになる。そうでなければ、古典的な物体として振る舞ったということだ。

用いられたナトリウムクラスターは原子質量単位で17万を超える重さを持ち、これによって粒子は、これまでこの種の状態に置かれた最も重い物体をおよそ1桁上回る位置に来た。重ね合わせの広がりは粒子自身の数十倍の幅で、物理学者がマクロ性と呼ぶ尺度では今回の結果は μ = 15.5 に達する。

実験はウィーン大学とデュースブルク・エッセン大学のグループによって行われ、博士課程の学生セバスチャン・ペダリーノが筆頭著者、マルクス・アルント、シュテファン・ゲルリッヒ、クラウス・ホルンベルガーが主任研究者を務めた。手法は近接場物質波干渉と呼ばれる。紫外線レーザーの3枚の回折格子が障害物の役を果たす。クラスターは順にそれらを通り抜け、検出器上での溜まり方を見れば、それぞれが装置の中を波として — つまり同時に2つの場所にいて — 進んだのか、ふつうの粒子として進んだのかが分かる。

この実験の狙いは新しい技術を可能にすることではない。狙いは、量子力学が検証されている境界と、それが破綻し得る場所を、押し広げ続けることだ。理論の予言は今のところすべて持ちこたえているが、なぜ日常の古典的な物体が一度に2つの場所にあるように見えないのかについて、理論は何も語らない。より重く、より複雑な対象へとこの領域を伸ばすことはその問いを鋭くし、ある質量スケールで干渉が破れることがあれば、それは新しい物理の直接的な証拠になる。

結果には制約がある。干渉信号は深い超低温でのみ、そして装置を抜ける自由飛行のおよそ100分の1秒のあいだしか現れず、残留気体、放射、熱運動がコヒーレンスを壊してしまう。クラスターの大きさは日常の尺度ではなお微小だ。実験はまた、レーザー光格子とクラスター源に関する仮定にも依存しており、チームはそれらを別の解釈に対して擁護しなければならなかった — 査読が点検したのもその一部だ。

約20年前、干渉が初めて60個の炭素原子からなる分子バッキーボールで示された頃と比べると、今回の成果は格段だ。質量の跳躍はその初期の実証から約2桁上にあり、マクロ性もそれに見合うだけ上にある。ウイルスや生きた細胞の大きさと複雑さに近い物体へ近づく一歩は、直感が頼れる道標でなくなる地点へ近づく一歩でもある。

論文は2026年5月にNatureに掲載された。ウィーンとデュースブルク・エッセンのチームは、次の段階ではさらに大きな粒子と異なる材料組成を狙うと表明している — この実験ラインで自然な階段の一段上にあたる — とともに、物質波の手法がナノスケールの力や物性の精密センサーとして使えるかを探る予定だ。