今回の実験では、まず金属の薄い膜に「三つの細いスリット」を空けた特別な構造を作り、そこにとても弱い光(あるいは一度に1つずつの光子)を照射しました。

スリット1本あたりの幅は数百ナノメートルほどしかなく、これは髪の毛の太さよりずっと細いサイズです。

こうした極めて小さいすきまを通る光は、ふだん私たちが見慣れている光のふるまいと異なる“量子の性質”を強く示すと考えられています。

このとき、単に「3本のスリットを全部使う」だけでなく、一部のスリットをふさいで「1本だけ開ける」「2本だけ開ける」など、合計7パターン(A、B、C、それぞれ1本ずつ、AB、BC、ACの2本ずつ、そしてABCすべて)の条件で光の通り方を調べました。

高校の物理などでも習うように、スリットから出た光は互いに干渉を起こして縞(しま)状のパターンを作ります。

研究チームは、これらのパターンを比べることで、どのように光がループ状の経路をたどっているかを検証しようとしたのです。

また、スリット周辺に強い電磁場(表面プラズモン)を発生させるため、入射する光の「偏光(へんこう)」という特性を切り替えました。

具体的には、スリットに対して電場が横方向になるような偏光を入れると、金属表面に強い近接場が生じやすくなります。

この近接場が“ループ軌道”を引き起こす手がかりになると期待されていたので、偏光を変えることで「ループ軌道が起こる場合」と「ほとんど起こらない場合」の両方を比較できるわけです。

実際に光がスリットを通り抜けたあとには、遠く離れた場所で“ファーフィールド”と呼ばれる干渉パターンを特殊なカメラ(ICCDカメラ)で撮影しました。

三重スリット実験で見えた「光のループ経路」
三重スリット実験で見えた「光のループ経路」 / 三重スリットの実際のSEM(走査型電子顕微鏡)画像と、スリットの開閉や偏光条件による干渉パターンの変化。 上段左に写っているのが、金属膜に空けられた三つの非常に細いスリットを拡大撮影したSEM画像です。一方、右側や下段には、スリットを1本だけ開けたり、2本だけ開けたり、3本すべて開けたりといった組み合わせに加え、入射光の偏光を切り替えたときに観測される干渉パターンが示されています。特定の偏光(たとえばスリット長手方向と平行なもの)を使うと、表面プラズモンが強く励起され、ループ軌道による追加の干渉が際立つことがわかります。こうしたパターンの差を定量的に比較することで、三重スリットならではの“高次干渉”の存在が裏付けられました。/Credit:Omar S Magaña-Loaiza et al . Nature Communications (2016)