レーザーというと一般的にはポインターやレーザーカッターのイメージがありますが、この実験で使われたレーザー光は非常に短時間(30フェムト秒、1フェムト秒は1000兆分の1秒)で強力な電場を生み出す特別なものです。
この極めて短く強い電場を原子に当てると、原子が持つポテンシャル障壁、つまり電子を原子内に引き留めている「壁」を一時的に低くすることができます。
この壁が低くなることで、原子の中に閉じ込められていた電子が壁を越えて外に出やすくなります。
しかし、壁が完全に消えるわけではなく、電子にとってはまだ乗り越えるのが難しい障害物として残っています。
それにもかかわらず、量子トンネル効果によって電子は時折その壁を通り抜けてしまうのです。
この通り抜けるプロセスで電子がもし何らかの特別な動きをすれば、その痕跡は外に飛び出した電子のエネルギーや動く方向(運動量)に残ります。
そこで研究チームは、レーザーの強さを徐々に変化させながら、原子から飛び出した電子の運動を詳しく測定しました。
この測定には、電子がどれほどのエネルギーを持っているか、どのような方向に飛び出しているかを精密に観察できる「速度マップイメージング(VMI)」という先端の実験手法が使われています。
得られたデータを丁寧に解析すると、驚くべきことが分かりました。
飛び出した電子のエネルギースペクトルを調べてみると、通常の理論では決して現れないはずの強いピーク(エネルギーが突出して高い部分)が複数見つかったのです。
これらのピークは特に高いエネルギーの領域で顕著で、しかもレーザーの強さを変えてもほとんど変化しませんでした。
もし単純に壁を通り抜けただけであれば、こうしたピークは現れないはずです。
研究チームは、この不思議な現象の理由を理論的に詳しく調べました。
その結果、電子が壁の内部を通過する際、壁の内側にぶつかって跳ね返される「反射」(再衝突)という過程が起きていることが分かりました。