なぜ「空洞」を照らすほうが効率的なのか
なぜ箱の光を照らすと分子が簡単に破壊できたのか？
理由は、二つの階段の「段差のそろい方」の違いにあります。
分子の階段は、上へ行くほど段差が詰まっていくいびつな階段でした。
だから同じ色のレーザーでは、途中から歩幅が合わなくなって立ち往生してしまう。
ところが、箱の中の光がつくる階段は、上まで段差がほぼ均一にそろっているのです。
段の高さがずっと一定だから、同じ色のレーザーを当て続けても、歩幅がズレることがありません。
一段、また一段と、詰まることなくトントン拍子で登り続けられます。
分子と箱の光は強く結びついているので、箱の光の側の登りやすい階段でためたエネルギーを、混ざり合った足場を通じて、分子の震えへと横流しできるのです。
エネルギーの流れを一本の線で書くと、
レーザー➔ 箱の光（登りやすい階段）➔ 光と分子の混ざった状態 ➔分子の震え➔結合の切断
となります。
分子を直接押し上げようとすれば、いびつな階段で途中から立ち往生します。
けれど、いったん箱という「登りやすい階段」へエネルギーを預け、そこから運命共同体となった分子へ手渡してやれば、詰まりに邪魔されずに上まで運べるわけです。
この意味で、箱の光は、分子を揺らすための「頼れる助っ人の振動」として働き、レーザーのエネルギーを一手に引き受けて分子へ橋渡しする”中継地点”になっているのです。
たとえるなら、頑固なミニマリストも、パートナーと共同生活させて「家計」を混ぜてしまえば、あとはパートナーのほうを刺激すればミニマリスト状態も解消されることがあります。
同様に、頑固な分子も箱の光と一蓮托生にしてしまえば、箱の光へ注いだレーザーエネルギーを分子側も受け取りやすくなり、やがて結合の切断へ届く可能性が出てきます。
レーザーのエネルギーがうまく分子へ流れ込むよう、真空が経路を整えている――それが、この現象の正体なのです。
これまで、分子の結合を光で切ろうとするとき、基本の作戦はいたってシンプルでした。
分子が十分に震えてくれないなら、レーザーをもっと強くする。
それでも足りなければ、もっともっと強くする。
力が足りないなら力を増やす、という素直な発想です。
今回の研究が指し示したのは、それとはまったく別方向の一手でした。
光を強くする代わりに、光から分子へエネルギーが流れ込む”道筋”のほうを整えてやる。
レーザーの出力を上げて力ずくで結合をこじ開けるのではなく、エネルギーがすんなり通れる量子的な近道をあらかじめ設計しておいて、そこを通す――という発想の転換です。
今回の研究は理論研究ですが、もし実証され応用されれば、大きな影響を与えるでしょう。
たとえば、研究チームは将来の応用先として、水を電気分解して水素をつくる反応や、二酸化炭素を回収する反応を挙げています。
こうした反応の一部を、将来、同じ発想で制御できるようになれば、より少ないエネルギーで、より少ない無駄で化学プロセスを回せるようになるかもしれません。
私たちはつい、分子を操りたければ分子そのものだけを見つめてしまいます。
真空をデザインすることで分子に変化を与えるという視点は、私たちのそんな認識を大きくゆるがすものとなるでしょう。
分子そのものではなく、分子を取り巻く”環境”のほうを設計する――そんな新しい化学の入り口が、開こうとしているのかもしれません。
参考文献
Scientists discover a way to use the quantum vacuum to break molecules with less energy
https://www.eurekalert.org/news-releases/1135129
元論文
Enhancing Infrared-Laser Dissociation of Molecules with the Electromagnetic Vacuum
https://doi.org/10.1103/s2zc-6lxs
ライター
川勝康弘: ナゾロジー副編集長。 大学で研究生活を送ること10年と少し。 小説家としての活動履歴あり。 専門は生物学ですが、量子力学・社会学・医学・薬学なども担当します。 日々の記事作成は可能な限り、一次資料たる論文を元にするよう心がけています。 夢は最新科学をまとめて小学生用に本にすること。
編集者
ナゾロジー 編集部
