熱が「量子的な波」として光のように直進する現象を室温で初観測

米国のカリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）で行われた研究によって、「量子的な波として伝わる熱（量子熱波）」が、史上初めて室温で観測されました。

熱といえば四方八方へじわじわ広がるのが常識ですが、この実験では光のビームのようにまっすぐ進む現象が確認されたのです。

日常の実感でも物理学の教科書でも揺らいだことのなかったこの常識が、極低温の特殊な実験室ではなく、私たちの暮らすふつうの温度で破られたことになります。

研究者は「これは熱管理を新たな視点から考えることを可能にする、根本的な発見です」と述べています。

なぜ熱は常識を破り、量子の世界に踏み込めたのでしょうか？

そして熱を光のように自在に好きな方向に向ける未来は来るのでしょうか？

研究内容の詳細は2026年7月23日に『Nature Physics』にて発表されました。

目次

• 熱は「じわっと丸く広がる」はずだった
• 波になった熱は直進する

熱は「じわっと丸く広がる」はずだった

熱いコーヒーカップをテーブルに置くと、カップの周りのテーブルがだんだん温かくなってきます。

このとき熱は、カップを中心にどの方向へもまんべんなく、じわじわと染み出すように広がっていきます。

フライパンでも、カイロでも、スマホの発熱でも同じです。

熱があらゆる方向へ均等に拡散していくことは、私たちが日常で何度も体感している「熱の常識」であり、実際に教科書へ載っている熱伝導の基本法則でもあります。

では、固体の中で熱を運んでいる「運び屋」の正体は何なのでしょうか。

それは原子の振動です。

物質の中では原子たちが隣とバネでつながれたように結びついており、片方が揺れると振動が次々と隣へ伝わっていきます。

この振動の伝わりこそが、半導体をはじめとした多くの固体での熱の移動であり、物理学では振動をひとかたまりの粒のように扱って「熱の運び屋（フォノン）」と呼んでいます。

普段の温度では、この運び屋は物質の中にぎゅうぎゅうにひしめいていて、無数の粒が玉突きするように互いに衝突しては進む向きを変えることを繰り返しています。

そうしてあらゆる方向へ弾き飛ばされ続けるからこそ、熱は結果として全方向へ均等に広がるわけです。

ところがこの運び屋は、実は粒でありながら「波」の性質も併せ持つ、量子の世界の住人です。

波としての性質が発揮されると、光がレンズで進む向きを変えられるように、熱も決まった方向へ集中して伝わっていくと考えられてきました。

たとえば結晶のように原子が規則正しく並んでいる構造では、振動が伝わりやすい向きと伝わりにくい向きが生まれます。

粒として振る舞う熱の運び屋たちは、そんな結晶内部でもひっきりなしの衝突を起こし、この差をかき消しながら進んでしまいます。

量子の世界では「観測すると波の性質が失われる」ことが知られていますが、衝突もまた相手にちょっかいを出す、いわば観測のような役割を果たし、運び屋から波の顔を奪ってしまうのです。

ですがもし衝突を大幅に減らせれば、結晶がもともと備えていた「進みやすい方向」がそのまま熱の道筋になり、観測されない運び屋は波のまま突き進めるはずです。

この波として伝わる熱こそが「熱の集束（フォノン集束）」と呼ばれる現象——いわば量子の熱波です。

これまで、この熱を波として運ぶ現象は、絶対零度からわずか数度上（およそマイナス270℃）という極限まで冷やした結晶の中でしか確認されていませんでした。

ここまで冷やすと運び屋の数自体が激減し、衝突がほとんど起きなくなるため、波の顔が表に出てきます。

逆に言えば、温度を上げるほど衝突が激増して波はかき消され、熱はいつもの拡散に戻ってしまいます。

そのため半世紀にわたり、量子の熱波は極低温でしか存在できない、実用とは無縁の珍現象と見なされてきました。

ところがその半世紀のあいだに、現実の世界では熱がまったく別の重みを持つようになっていました。

AIチップをはじめとする電子機器の発熱は年々深刻さを増し、いまや性能の限界を決める最大の壁になりつつあります。

現在の冷却は「広がってしまった熱を後から回収する」やり方が基本ですが、もし熱を発生源から狙った場所へ導けたなら、状況は根本から変わります。

そこでUCLAの研究チームは、運び屋どうしの衝突が極端に起きにくい、ある特別な結晶に目をつけました。

室温でも波が生き残れる、唯一無二の舞台候補です。

波になった熱は直進する

その結晶とは、ホウ素とヒ素からできた半導体「ヒ化ホウ素」です。

ダイヤモンドに迫るほど熱をよく通す特異な材料で、その桁外れの熱伝導率が実験で確かめられ、世界の注目を集めたのは2018年のこと。

その先陣を切ったチームのひとつが、今回の研究を率いるヨンジエ・フー教授の研究室でした。

熱をよく通すということは、それだけ運び屋が衝突せずに長く走れるということでもあります。

つまりこの結晶の内部は、運び屋が誰からも「観測」されずに済む、波にとって理想の通り道になっている可能性があったのです。

そこでチームは、結晶の表面のごく小さな一点だけを加熱し、そこから熱がどう広がったかを「写真」のように写し出せる特別な撮影技術を新たに開発しました。

熱の足あとをナノメートル単位でとらえる、この研究のために生み出された特注のカメラです。

このカメラでふつうの材料を撮ると、熱は加熱した点を中心に、ただ丸く広がっていくだけです。

ところがヒ化ホウ素にレンズを向けたとき、まったく異なる光景が写り込みました。

加熱した一点から、6本の細い光線がまっすぐ伸びる「星形」の温度パターンが浮かび上がったのです。

熱は丸く広がるのではなく、結晶が定めた6つの方向へ強く集中し、波のまま直進していました。

極低温の専売特許だったはずの量子の熱波が、約27℃の室温で確かに起きていた瞬間です。

驚きはそれだけではありませんでした。

結晶を切り出す向きを変えて撮影すると、星の腕の本数が6本から8本、さらに4本へと、面ごとにきれいに切り替わったのです。

原因は原子の並び方にありました。

たとえば6本の星が現れた面では、原子たちが三角形を敷き詰めたような模様で並んでおり、その模様が生む6つの「進みやすい方向」が、そのまま熱の通り道になっていたのです。

つまり熱の道筋はデタラメではなく原子の並びが決めており、現れたパターンは理論計算の予測ともぴたりと一致しました。

結晶をどの面で切り出すかという設計図を選ぶだけで、熱の進みやすい方向をあらかじめプログラムできる——そう言い換えることもできます。

波が生き残れた距離は、室温でおよそ250ナノメートル。

目に見えないほど小さなスケールですが、ひしめく運び屋たちの衝突をかいくぐって波が進める距離としては破格です。

しかも現代の半導体チップの部品はまさにこのサイズ感で作られており、計算上はさらに長く、マイクロメートル級まで波が持続しうることも示されました。

チップの中で熱を操るには十分な射程といえます。

過熱に悩まされ続けるAIハードウェアや、わずかな熱で計算が乱れてしまう量子コンピュータにとって、熱を拡散させる前に導いてしまう技術は、冷却の考え方そのものを塗り替える可能性があります。

研究チームはこの成果を、熱を波として操る新分野「量子熱工学」の出発点になると位置づけています。

極低温の実験室に半世紀閉じ込められていた量子の熱波は、いま私たちの温度の世界へと歩み出したのです。

参考文献

UCLA Engineers Observe Quantum Heat Waves at Room Temperature
https://samueli.ucla.edu/ucla-engineers-observe-quantum-heat-waves-at-room-temperature/

元論文

Phonon focusing at room temperature
https://doi.org/10.1038/s41567-026-03335-y

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