”学校や博物館"で"量子の世界"を見れる安価な電子顕微鏡の開発

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１．自己紹介

ー量子の世界とそれを見る方法ー

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柳沢　啓史（やなぎさわ　ひろふみ）と申します。

 

物理学者です。主に”電子”と”光”を扱っています。

 

 

 

このプロジェクト、Quantum Kids Project (QKP)では、我々が研究をしてきた電子顕微鏡を、教育現場に活かしていただき、”小・中学校から量子教育”を始めるためのプロジェクトです。作製する電子顕微鏡により、１分子の中に閉じ込められたお花のような電子の分布を見ることができます。この分布はまさに量子の世界の象徴です。そんな顕微鏡を３０－４０万円程度で購入できるようにすることが目的です。トップの図に装置の完成図が描かれています。これまで、このような量子の世界を観測するには何千万円のコストが必要でした。我々の思い描く顕微鏡ができれば、教育現場等で気軽に量子の世界が見れるようになることが期待されます。（セクション３にて詳しく述べますが、本プロジェクトでは、40万円以内での作製が本当に可能かも検討いたします。それが難しければ、価格帯は250万程度となるため、博物館に置いてもらうことを目指します。）

 

 

以下にプロジェクトに関しまして、順に説明していきたいと思います。  

（簡単なプロジェクトの紹介動画も参考にしてください。動画は中学生前後から見れるように努力しております。）

 

まずは量子の世界とは何か？、そして我々の研究してきた、電子顕微鏡についてご紹介いたします。

 

これをご覧になられている方は、すでに”量子”という言葉を聞いたことがあるかと思います。例えば今のコンピュータが量子コンピュータならもっともっと早くなるとか。。。

 

量子の性質は私たちの実生活の常識を覆す世界で、その原理を用いることで、圧倒的に早いコンピュータができるという話です。

 

コンピュータに限らず、量子の力を使うと、私たちの常識を超えた技術を作れる可能性があります。そういった理由から、量子はこれからの世界を形作るための鍵だと我々科学者は考えています。  

 

その量子の世界の主役の1つは電子です。（ちなみに光も量子の世界の主役の一つですが、このプロジェクトでは電子に注目します。）

 

電子は電気の粒です。電子は日常のどこにでもあります。例えば金属の中にはものすごく多くの電子が、うじゃうじゃと動いています。

 

電子は粒ですが、小さい領域においては波のような性質がみえてきます。小さい領域というのはナノスケールくらいの領域を示します。1ナノメートルは10億分の１メートルです。1ナノメートルというのは、原子と呼ばれる物質を形作る最小の粒が３つから８つ入るような小さな世界です。

 

その電子がナノスケールの空間で見せる波の性質こそが量子の世界です。

 

つまり、電子の量子的な性質を見るには、ナノスケールの空間において、 電子を観測する必要があります。 

 

我々は約15年間、まさにそのナノスケールという空間で電子を観測してきました。

 

電子を観測するために、我々は電界電子顕微鏡（FEM）と呼ばれる顕微鏡を用いてきました。下図が我々の装置です。この装置は、我々が設計し、作製しました。

 

図１：我々の電界電子顕微鏡装置。

 

 

 

FEMでは、図２に示しますように、ナノスケールに先のとがった金属の針を用います。この針先から、電子を出します。電子は針先から広がり出ていきます。蛍光スクリーンに電子が到達すると、電子が当たった場所が光ります。この発光を利用し、スクリーン上に到達した電子を観測すると、針先端のナノスケールの情報を拡大し観測することができます。これがFEMです。（簡単なFEM紹介動画も用意してあります。）

 

図２：FEMの概念図。

 

 

 

これは電子顕微鏡の一種になりますが、世間に出回っている電子顕微鏡とはものを見る原理が少し違います。

 

いわゆる電子顕微鏡は、図３（a）に示しますように、針先端から出た電子を見たい対象物にあて、物から跳ね返った電子を観測します。

 

一方FEMでは、図３（b）に示すように、見たい物を針の上に置き、その物の情報を拡大し、観測します。

 

図３：一般的な電子顕微鏡とFEMでものを見るときの違いを示した概念図。

 

 

 

図３（a）の方法では、装置に振動が加わると、ナノの世界が見えないので、振動をなくす工夫や、電子をナノメートルの領域に集中させる工夫等、とても難しい技術が必要です。

 

一方、図３(b)のFEMの方法では、観測対象物が、電子が出てくるところに直接つけられているので、原理上、装置への振動が大きく影響することはありません。また、電子を小さい領域に集中させる必要もありません。

 

そのため、FEMの作製は、単純に図２のようなセットアップだけでよく、非常に簡単にシステムを構築できます。（図1の我々のシステムが複雑なのは、最先端研究に必要ないろいろな機能が備わっているためです。）

 

FEMはその簡単さゆえに、教育用の教材になりうる顕微鏡です。

 

メリットだらけのように聞こえるFEMですが、研究のシーンでもあまり用いられておらず、教育の現場でも用いられていない手法です。それがなぜなのか、FEMの最新の研究と共に、次の項目で説明いたします。

 

 

 

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２．プロジェクトを立ち上げたきっかけ

ー我々の最新の研究:FEMを用いた1分子観察ー

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プロジェクト立ち上げのきっかけは我々の最新の研究結果です[1,2]。

 

本研究は国内外で非常に多くのニュースサイトで取り上げていただきました。

我々が確認できているだけで、国内１０サイト、国外４０サイトあります。

例えば、日本では日本経済新聞のオンライン版で紹介されております。

海外ではEUの研究紹介サイトにて、6か国語で紹介されています。

 

以下簡単に、我々の最新の研究で、本プロジェクトに関わる重要な部分の解説をします。

 

図２のような針の上に分子をばらまき、FEM像を観測すると図４に丸で囲ったよう特徴的なパターンがいくつか現れます。2つ葉や、４つ葉、十字架模様など様々です。まるでお花畑のような世界が見えてきます。

 

図４：FEMを用いた分子像観察の例。色のマップは実際に見える色マップと変えてあります。

実際の色マップは緑の濃淡で見えるようになっています。図は文献[1]の図１から引用。

 

 

 

実は、この１つ１つのパターンは１つの分子を表しています。ここでは原子６０個で構成されるサッカーボール（通称：フラーレン）を見ています。

 

実は、このようなパターンは別の分子を用いて７０年前に観測されていました。このパターンが見えた当時、科学者たちは”1分子が見えた”と解釈したい考えておりましたが、この像を観測するのに、多くの分子を針上に乗せる必要があったり、この像が図５に示すように、時間と共に突然変わるなど（例えば矢印で示す像）、1分子では簡単に説明できない現象が観測されていました。

 

図５：FEM分子像の時間変化。動画の時間はほぼ観測している時間と同じです。色のマップは実際に見える色マップと変えてあります。実際の色マップは緑の濃淡で見えるようになっています。

 

 

 

つまり、これまではFEMで分子を観察した時、何を見ているかはっきりしなかったのです。このため、FEMはとても簡単な顕微鏡ではあるが、分子を見るという用途では広く使用されることはありませんでした。

 

このような背景の中、我々は4年に及び、様々なモデルを検証した結果、観察されるすべての現象を、1つの分子の中に広がる特異な電子の分布（分子軌道と呼びます）で説明できることを示しました[2]。

 

この特異な電子の分布というのはまさに電子の量子性が引き起こす構造で、さらに、分布の変化も１分子の量子性だけで説明できる特有の現象であることがわかってきました。

 

つまり、FEMは1分子中の量子の世界を映し出す顕微鏡であることがわかってきました。

（この点に関する簡単な紹介動画もあります。）

 

FEMはその原理が非常に単純であり、技術的には真空管を作るのと同じです。真空管を搭載したアンプは安ければ、インターネットで１０万円ほど販売しております。もちろん完全に真空管と同じではないので、プラスアルファが必要となるが、３０万円から４０万円程度で提供できるのではと予測しています。量子の世界にいる電子を見るには、通常数千万円から１億円程度の装置を必要とするので、FEMは価格面で他を圧倒しています。  

 

仮に、このような価格でFEMを作製することができれば、学校等の教育機関に導入することができると考えます。(価格に関してのさらなる議論は次のセクションで行います。)そして、日常的に子供たちが量子の世界を見ることが可能になります。そんな初の量子教育を実現したく、このプロジェクトを考案しました。  

 

 

 

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３．プロジェクトの内容 ー検証すべきことー

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真空管と同様の構造で、１分子の見れるFEMをつくるということが、本プロジェクトの目標です。

 

もっとも重要な検証すべきこととしては、どの程度の真空度で1分子FEM像が観測できるかということです。

 

真空とは空気の抜けた状態でありますが、本当に何もない状態ではなく、極めて希薄な空気が残っている状態です。どの程度空気がなくなったかを示す量を”気圧”と呼びます。気圧はが天気予報でなじみがあるかと思います。１気圧は私たちの住む世界の気圧で、１０００ヘクトパスカル程度です。

 

我々が普段取り扱っている気圧は1気圧の１０兆分の１です。この条件で実験を行っています。このような条件を作り出すには、少し高価な真空を作るポンプを導入する必要があります。

 

一方、真空管内での気圧は文献を調べると、我々の実験に比べて1万倍気圧が高くなっております。気圧が高いということは、真空中にそれだけ多くの空気が残っていて、それが分子に悪影響を及ぼす”可能性”があります。

 

まずは悪い真空度でも分子の観測ができるかどうかを検証する必要があります。これらの検証は我々がすでに保有の装置で可能です。

 

もし、悪い真空では観測ができないようであれば、真空管を用いたFEMの作製は難しくなり、４０万円程度の価格に抑え込むのは難しくなります。

 

この場合、我々の実験環境に似た状態にするために価格は跳ね上がり、２００ー２５０万円程度になると考えております。

 

もし、この価格帯になる場合は、学校への導入はあきらめ、科学博物館等にこの顕微鏡を置いてもらうように、目標を設定したいと思います。

 

（注：価格は、現時点で可能な限り詳細に作製過程をシミュレーションし、その作製に関する物品の価格を見積もり算出しました。一方で、実際にプロジェクトを行い、さらに製造過程がはっきりした際に、より安くなる可能性もありますし、高くなる可能性もあります。教育機関に使っていただけるように、なるべく良心的な価格を目指します。）

 

仮に、我々の想定通りFEMを真空管同様に作製できたとすると、出来上がる顕微鏡は図６の完成予想図のような物になります。サイズ感としては手のひらにのる程度の小さいものです。できたら電池で動かし、手で持ちながらスクリーンに映し出された1分子の量子のお花模様を観測できるようにします。

 

 

 

図６：量子教育用FEMの完成予想図。上述のように、どのくらいの真空度が必要か？等で装置のサイズ感は変わってきます。図では現在我々の想定している、最も理想的になった場合の完成予想図となります。

 

 

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４．プロジェクトの展望・ビジョン

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小学生・中学生が量子の世界における電子のふるまいを理解することは難しいでしょう。だからこれまでは、量子の教育は大学生になってからでした。

 

でもどうでしょう。例えば、ボールを投げた時、ボールがどのように飛ぶか、子供たちは感覚でわかります。しかし、子供たちがボールの軌道の物理を理解することは難しいでしょう。物理の理解は難しいですが、ボールのふるまいは直感的にわかるものです。なぜなら、現象を直接見られるからです。直接見るということは、理解への第一歩です。

 

量子の世界を見るにはこれまで非常に高価な装置が必要で、直接見る機会を作ることは難しく、教育の第一歩は物理の理解でした。我々のプロジェクトは、物理の理解ではなく、まず量子の世界を見てもらうことにあります。これにより、ボールがどう飛ぶかを感覚で知るように、量子の世界を感覚で知ってもらえたらと考えています。

 

図４，５のように、量子の世界はお花畑です。

 

これを皆様にお見せできればいいなと考えています。

 

これは日本だけの話ではありません。世界での教育シーンを変える話だと考えております。1人でも多くの優秀な子供が、量子の世界を見て、物理学に興味を持ってもらえれば、そんな彼らが、我々現役科学者が構築する未来の、さらにその先の未来で驚くような技術を考案し、実現し、世界を大きく動かす力となると信じております。そんな子供が全体の０．０００0１％でも出れば、我々のプロジェクトが成功したと言えると考えております。そして、そういった子供たちが遠い未来で生み出す技術や、量子で形作る世界が、本プロジェクトの本当の返礼品となればと思います。

 

我々はこのプロジェクトをQuantum Kids Projectと名付けました。ご興味があれば、我々のHPにも足をお運びいただければと思います。

 

 

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５．経費に関して

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本プロジェクトの期間は２０２３年４月から９月末までの半年間とします。以下の経費は半年間の総額です。

 

人件費：

人件費に４５０万円計上します。人件費にはプロジェクト責任者の柳沢と1人の補助員の給与を含みます。人件費は２０２２年度の実績に従います。

 

物品費：

物品費にはFEM試作用の資金として３４０万円計上します。

（図6の装置よりも大きく重くなった場合を考慮し、装置制作費を高く設定しております。）

 

旅費費：

試作したFEMを実地でデモンストレーションするための移動費として３０万円計上します。

 

余剰金がでた場合の対応：

仮にクラウドファンディングで予想より多くの資金が集まったり、プロジェクトの遂行課程で予想より低い額でプロジェクトが可能になり余剰金が発生した場合の対応を記します。本プロジェクトが完全に達成され、かつ余剰金がある場合、余剰の資金が許す限り、FEMを作製して博物館に寄付できたらと考えています。また、作製しましたFEMを世に広め、量子教育を押し上げるために、公益性を重視した法人を作りたいと思います。一方で、必要金額の９４２万円以上集まったが、プロジェクトに予想以上の経費と期間が必要になった場合は、その資金を用いてプロジェクトを継続いたします。資金の使用に関しては会計報告をすることで、これまでの研究生活同様に公明正大に行います。

 

法人が作れた時：

上述の法人は、学校での量子教育を推し進めるのと同時に、その法人が顕微鏡の販売等で生み出す利益を量子研究の発展に役立てます。量子研究の発展に関しましては、量子の研究を行っている研究者で、研究を続けたいが、続けるためのポストがない場合、次のポストが見つかるまで雇用できる制度を作りたいと考えております。

 

プロジェクトの段取り：

クラウドファンディングでどこまで資金が集まるかよめないため、ゴールを３段階にわけて、資金を募ります。集まった分だけ、１歩でも前に進めるように、段階的にプロジェクトを進める仕組みにします。以下にそれぞれのゴールとそこに必要な資金を示します。

 

第１ゴール：

初めの2か月は以下の2点を行います。

１．FEMでの分子観察をするための真空度の検証および試料準備方法に関する検証。

（この点は我々が保有の装置を用いることで行います。）

２．FEM及びそれを作製するための装置・回路の設計。

必要資金：　１７２万円　

内訳：４月、５月分の人件費（１４９万円）＋クラファン手数料と消費税

 

第２ゴール：

次の３か月は設計されたFEMの試作を行います。

必要資金：　６０３万円

内訳：６月、７月、8月分の人件費（２２４万円）＋物品費（３００万円）+クラファン手数料と消費税

注：物品費は、真空ポンプ、真空部品、電気部品、加工道具、消耗品（分子や金属、銅線）の購入に用います。

 

第３ゴール：

最後の１か月ではFEMの試作の実地でのデモンストレーション及び改良点の洗い出しを行います。

必要資金：　１６７万円　

内訳：９月分の人件費（７５万円）＋旅費（30万円）+物品費（40万円）+クラファン手数料と消費税

 

進捗報告に関して：

プロジェクトの進捗報告は我々のホームページやTwitter、Instagram等で随時行っていく予定です。

 

 

参考文献：

[１] H. Yanagisawa, M. Bohn, F. Goschin, A. P. Seitsonen, and M. F. Kling, “Field emission microscope for a single fullerene molecule”, Scientific Reports 12, 2174 (2022).

 

[２]H. Yanagisawa, M. Bohn, H. Kitoh-Nishioka, F. Goschin, and M. F. Kling, “Light-induced subnanometric modulation of a single-molecule electron source”, Physical Review Letters 130, 106204 (2023).（Editor's Suggestionに選ばれた注目の論文。）

 

 

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６．柳沢啓史の経歴に関して

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柳沢啓史は２００６年に博士号を早稲田大学にて取得。その後２００７年よりヨーロッパに移り、スイスとドイツにて研究活動を行う。スイスではチューリッヒ大学にてJSPS海外特別研究員等をとおして、研究員を3年務めたのち、ETHチューリッヒにてAmbizioneプロジェクト等を通して５年活動する。その後ドイツLMU・MPQにて5年間DFGプロジェクト資金等を用いて研究を行う。2020年よりJSTさきがけ専任として東大物性研にて研究活動を行う。さきがけプロジェクトは2023年3月末にて終了。詳しい経歴は外部サイト参照。

https://researchmap.jp/hyanagisawa