光の電場は、向きを変えながら物質の中の電子を動かします。その一往復が終わるより短い時間で電子の分布を調べられれば、電流が生まれる過程と、電子が別のエネルギー帯へ移る過程を結び付けて見ることができます。
レーゲンスブルク大学、マールブルク大学、ユーリヒ研究センターなどの研究チームは、グラフェンを強い中赤外光で駆動し、電子のエネルギーと運動量の分布を追う実験を報告しました。論文は2026年10月28日にNatureで公開されています。光の一周期より短い「サブサイクル」の時間分解能と、広い運動量範囲を同時に得たことで、電子の分布がずれるだけでなく、形を変える様子まで捉えています。[1]
簡単にまとめると？
- 短い極端紫外光で電子を試料の外へ取り出し、エネルギーと運動量を測ります。照射のタイミングをずらして、光に駆動される電子分布の変化を再構成します。
- グラフェンでは分布の位置が動くと同時に、光の電場と平行な方向へ分布が伸びました。実験と理論計算の比較が、バンド間のランダウ–ツェナー–マヨラナ（LZM）遷移の解釈を支えています。
- 遅延時間を設定する精度は230アト秒、電子分布を見分ける時間分解能は10フェムト秒未満です。両者は別の性能で、単独の電子を実空間で撮影した映像でもありません。
二つの光で、電子の分布を時間ごとに調べる
今回使ったのは、炭化ケイ素（SiC）上に成長させた単層グラフェンです。まず中赤外光の電場で電子を動かし、少し遅らせて極端紫外光を当てます。後から来る光は、光電効果によって試料の電子を外へ取り出す役目です。放出された電子を飛行時間型の光電子運動量顕微鏡で検出し、エネルギーと面内の二方向の運動量を求めます。
運動量の地図から分かるのは、どの方向・大きさの運動量を持つ電子が、どのエネルギーにどれだけ存在するかです。一つの電子が材料の中を進む軌跡を追うのではなく、同じ条件で測定を重ねて分布を作ります。二つの光の間隔を変えると、その分布が時間とともにどう変わるかを調べられます。
駆動光の中心周波数は30 THzで、一周期は約33フェムト秒です。研究では21.7 eVの極端紫外光を使い、10フェムト秒未満の時間分解能で、第一ブリルアンゾーン全体を見渡せるようにしました。第一ブリルアンゾーンは、結晶の周期性を反映した電子状態を表す運動量空間の基本領域です。グラフェンで重要な六つの角、K点も視野に含まれます。
一方、230アト秒という値は、二つの光の到着時刻の差を設定する精度です。1フェムト秒は1,000アト秒なので、これは0.23フェムト秒に相当します。タイミングを細かく調整できることと、測定の一枚でどれほど短い変化を分離できるかを分けると、装置の性能を読み取りやすくなります。
分布のずれと伸びを、別々の手掛かりにする
グラフェンでは、K点付近の電子のエネルギーと運動量の関係が、頂点を接した二つの円すいのような形になります。これがディラックコーンです。強い電場によって電子が同じバンドの中で加速されると、運動量の分布全体がずれます。さらに、電子が別のバンドへ移れば、分布の形や、上側のバンドを占める電子の数も変わります。
ランダウ–ツェナー–マヨラナ（LZM）遷移は、系の状態が十分ゆっくりと変わる場合の追随から外れ、エネルギー準位が接近する領域を速く通ることで別の状態へ移る量子的な過程です。今回のグラフェンでは、光の電場によるバンド内の加速と、価電子帯から伝導帯へのバンド間遷移が結び付いています。
観測では、電子分布の中心が光の電場に応じて移動し、その分布が電場と平行な方向へ伸びました。中心の移動は駆動光と同じ周波数で振動し、幅の変化にはその2倍の周波数の成分が現れます。ただし、幅の振動だけを見て遷移の原因を決めたわけではありません。
研究チームは、バンド間の結合を含める場合と除く場合を理論計算で比較しました。結合を除くと分布は移動しても丸い形を保ち、結合を含めると実験で見えた伸びを再現します。通常の光吸収による励起との違いや、電場の強さを変えた計算も併せて、LZM遷移によるものと解釈しています。分布の位置・形・電子数を一緒に見ることが、仕組みを見分ける手掛かりになります。
光に合わせて動ける時間を、散乱から考える
電子の動きは、光の電場だけで決まり続けるわけではありません。ほかの電子や結晶格子の振動との相互作用によって、運動量の分布が変わります。格子振動を量子として扱ったものがフォノンです。
論文では、電場と、分布の偏りから求めた電流との位相差を調べ、時間に換算して4.9±0.2フェムト秒を得ています。散乱のない理想的な応答に対応する8.3フェムト秒より短い値です。緩和時間を用いた理論モデルでは、平均散乱時間を9.0±0.7フェムト秒とすると、この位相差を再現できました。この散乱時間は計算との対応から推定した値です。
さらに散乱の種類を比較した計算から、光学フォノンとの相互作用が、光の位相にそろった電子制御を制限する重要な要因とされています。電子分布がいつ崩れ、どの方向へ広がるかまで測れることは、材料や駆動条件を選ぶ際の比較材料になります。
新しい電子回路ではなく、動作を見分ける観測基盤
この成果は、室温・超高真空中の単層グラフェンを対象に、強い光で駆動された電子の振る舞いを調べた基礎研究です。実用回路の演算速度や消費電力、長期の耐久性を示したものではありません。測定では、材料から出た後の電子も光の電場で加速されるため、その影響を補正して材料内部の変化を取り出しています。
広い運動量範囲を短い時間で見渡せるようになった意義は、電流の変化を一つの値として見るだけでなく、その背後で電子分布がどう移り、伸び、散乱するかまで比較できる点にあります。ほかの量子材料へ広げる場合も、試料に適した光の条件や測定・解析の方法を確かめる必要があります。
参考資料
- V. Eggersほか「Subcycle videography of Landau–Zener–Majorana transitions in graphene」、Nature、2026年10月28日。本文・Methods・Extended Data、図1を参照。
- 同研究の著者プレプリント arXiv:2602.12844v1、2026年2月13日。先行版であり、数値・説明は上記の掲載版を優先しています。