光をあてるだけで物質の特性を大きく変える「量子錬金術」を達成

日本の沖縄科学技術大学院大学（OIST）やスタンフォード大学などの研究チームによって、物質内部の「量子ゆらぎ」と光を用いて、物質の性質を瞬間的に大きく変えてしまう――まるで錬金術のような現象が実現しました。

この新方法はフロケ工学という、外部からの働きかけによる物体の性質変化を目指す技術をベースに、物性に直結する電子の状態変化を大きく促すことに成功しています。

電子の状態というのは、「電子がどこにいて、どれくらい動きやすいか」ということです。

物質の電気の流れやすさ（導電性）、光の通し方や色、磁石にくっつくかどうかなど、多くの性質は、この電子の動きやすさで決まっています。

たとえば金属は電子が自由に動ける状態なので電気をよく通し、ゴムは電子がほとんど動けない状態なので電気を通しません。

周期表などを見ると、外側の電子の状態が似ていれば、違う元素でも性質がよく似ることが分かります。

だから電子の状態を変えるというのは、「電子の動き方のルールを書き換えて、物質のふるまいを変える」ということだと考えることができます。

今回の手法は材料内部の量子的なゆらぎに着目し、外から強い光で無理やり揺らすのではなく、材料自身が持っている「内側のリズム」を引き出すことで、こうした劇的な変身が実験的に確かめられました。

研究内容の詳細は2026年1月19日に『Nature Physics』にて発表されました。

目次

• 錬金術に一番近いフロケ工学とは？
• 沖縄科学技術大学院大学（OIST）が21世紀の錬金術を進化させた
• 光以外のゆらぎにも広がるフロケ工学の地平

錬金術に一番近いフロケ工学とは？

私たちがふだん触っているものの性質は、当たり前ですがかなり頑固です。

ガラスは急に金属にはなりませんし、鉄は勝手に超伝導体にはなりません。

だからこそ、昔から人は「どうにかして物質の性質を変えたい」と思い続けてきました。

鉛を金に変える錬金術の伝説も、その夢の極端な形です。

現代物理でその夢にかなり近い有力な候補のひとつが、フロケ工学と呼ばれる考え方です。

フロケ・エンジニアリング（フロケ工学）は、結晶のように「空間に周期構造をもつ物質」に、さらに「時間に周期構造をもつ外力（たとえば光）」を重ねることで、物の性質を変化させる分野です。

強いレーザー光を一定のリズムで当て続け、物質の中の電子たちに新しいステップのダンスを覚えさせます。

すると、光を当てている間だけ、電子のエネルギーの模様が組み替わり、本来とは違う性質が一時的に現れます。

例えば特定の物質では、光のリズムを与えて一時的に超伝導に近い状態をつくることさえ理論的には検討されています。

物性の変化と言うと核種変換のように原子の核そのものを変えてしまうことを想像しますが、フロケ工学では電子の動き方を変えることで物性の変化を目指します。

核種変換には、原子炉や巨大な加速器が必要になるほどの莫大なエネルギーと危険な放射線管理が必要ですが、フロケ工学は実験室の中でレーザーや電子計測装置などで実現可能であることも魅力の1つです。

しかし実験の現実は厳しく、2009年に東大の岡隆史教授らによって構想が提唱されて以降も、実証例はこの十年でごくわずかしかありません。

その理由は、フロケ工学には材料を劣化させかねないレベルの超高強度の光が必要だったからです。

そのため物質の性質を変化させる前に、物質そのものが加熱や損傷のリスクにさらされるおそれがあったのです。

そこで今回の研究者たちが目をつけたのが、励起子です。

励起子は半導体の内部にできる「小さなエネルギーの塊」のようなものです。

（※より正確には光を吸収した電子が少し高いエネルギーに飛び出したとき、その抜け跡として残る「穴」とペアになった存在です。）

励起子は、物質の中で自分自身が小さな振動源、いわば内蔵モーターのようになって、周りの電子たちにリズムを伝えます。

もしこの内蔵モーターの数や強さをうまく調整できれば、外から物質が蒸発してしまうような超強力な光を浴びせなくても、適度な光で量子状態をしっかりと揺さぶれるはずです。

言い換えれば、やさしい光の刺激でその「内側の量子ゆらぎ」を調節することで、物質の性質を編成させるわけです。

もし本当にそんなことが可能なら、「光を当てるだけで性質を変える錬金術」は、ただの比喩ではなく、現実の工学の道具になっていく可能性があります。

沖縄科学技術大学院大学（OIST）が21世紀の錬金術を進化させた

本当に適度な光で物質の性質を書き換えられるのか？

答えを知るために研究者たちがまず用意したのは、原子一層ぶんの厚さしかない半導体です。

これを低温の真空中に置き、光を浴びせながら、時間とともに変化する電子のエネルギーの模様を直接のぞき込みました。

実験ではまず強い光で材料を叩き、そのほぼ同じタイミングで電子のようすを観測しました。

これは従来どおり、「光そのもの」を周期的な揺さぶりとして使うフロケ工学の条件です。

このとき電子の状態は僅かに変化して見えましたが、その信号はとても弱く、物質の性質が変わったと言える状態にはありませんでした。

そこで研究チームは、光の色を励起子がよく生まれるエネルギーに合わせたうえで、光を当てたあとごく短い時間だけ待ってから測定するようにタイミングをずらしました。

こうすると、強い光の場の影響はほぼなくなり、その代わりに物質の中に残っている励起子の集団が主役になっている時間帯をねらって観測することになります。

すると状況は一変しました。

観測データからは電子の状態が大きく描き替わっている様子がはっきりと現れたのです。

先にも述べたように物性において電子の状態は大きな影響を与えます。

実際、このときのエネルギー差はおよそ0.1エレクトロンボルトと見積もられ、光だけで起こそうとした場合に理論的に予測されるものより100倍も大きくなっていました。

これは光を通じて励起子という「内側のゆらぎ」を活用することで、フロケ効果として現れる状態の変形の大きさが劇的に増強されることを意味します。

「観察するタイミングをズラしただけなのでは？」と思うかもしれません。

しかしここで重要なのは、タイミングを変えることで、私たちが「何を見ているか」が切り替わっている点です。

光の照射直後では、まだ外からの光の揺さぶりが残っており、その影響のため変化はよくわかりません。

しかし0.2ピコ秒後になると光パルスは通り過ぎていますが、その間に作られた励起子の集団が、物質の内側から電子を強く揺さぶり続けています。

このタイミングをねらって観測すると、電子のエネルギー状態変化が大きくなる瞬間が現れたのです。

つまり励起子という内側のリズムが、観測するタイミングに応じてまったく違う顔を見せ、それが結果に影響していたわけです。

またこの変化がどのくらい長く続くのかも調べられました。

解析の結果、物質の性質の状態変化は、1ピコ秒近くまで視認できるレベルで続いていました。

これは同じ装置で観測される光だけを使った場合の持続時間（およそ0.1ピコ秒）と比べて、およそ10倍に相当する長さです。

さらに研究者たちは、光の強さを変えながら性質変化の大きさとの関係を調べました。

その結果、励起子がつくる内側の電場の強さが、そのままフロケ効果の強さのつまみになっていることがわかりました。

励起子が少ないときには、信号はうっすらとしか変わりませんが、励起子が増えるにつれてどんどんはっきりしていきました。

変身の強さと励起子の数が、ほぼきれいな直線関係で結ばれていたのです。

この関係をもとに詳しく計算すると、励起子が増えたり減ったりすることで、電子のエネルギーを決める量（自己エネルギー）が時間とともに一定のリズムで揺さぶられていることが分かります。

言い換えると、励起子の集団そのものが、物質の内部にフロケ工学に必要な「周期的なドライブ（リズム）」を作り出している、という解釈が成り立ちます。

光以外のゆらぎにも広がるフロケ工学の地平

今回の研究によって、「物質の性質を書き換えるフロケ工学は、強力な光で外側から殴るだけでなく、内側で生まれる励起子の集団を使って、ずっと強く長く実現できる可能性がある」ことが示されました。

実験では光による場合と比べて同じ光の条件で見たときにフロケ効果の強さは飛躍的に向上し、強い光を追加で足さずに済むぶん素材へのダメージも抑えられる可能性があります。

今回の手法はまだピコ秒というごく短い時間だけの現象ですが、それでも物質内部の量子状態を積極的に操れることを示した意義は大きいでしょう。

さらに興味深いことに、この成果は「光以外の揺らぎ」でも同様に物質の性質を変えられる可能性を示唆しています。

研究チームは、理論的には光子以外にも、結晶の振動によるフォノン（音響の量子）や、自由電子の集合振動であるプラズモン、スピンの集団挙動であるマグノンといった他のボソン系の揺らぎを利用しても同様の効果が得られるだろうと述べています。

デイビッド・ベーコン博士（共同筆頭著者）は本研究について「応用フロケ物理学への扉を開きました。多様なボソン系への応用が可能です。量子材料の創出と直接制御における大きな可能性を考えると、これは興奮すべき成果です。具体的な手法は今後の課題ですが、最初の実用的なステップに必要なスペクトル特性を確立しました」とコメントしています。

光で物質の性質を自在に操る――人類の夢の一つだったこの「錬金術」は、いよいよ量子の世界で現実味を帯びてきました。

もしかしたら未来の世界では、私たちが何気なく当てる光によって物質が自在に姿を変えることが当たり前になっているのかもしれません。

参考文献

Quantum ‘alchemy’ made feasible with excitons
https://www.oist.jp/news-center/news/2026/1/19/quantum-alchemy-made-feasible-excitons

元論文

Driving Floquet physics with excitonic fields
https://doi.org/10.1038/s41567-025-03132-z

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