私たちが知っている粒子の世界には、電子や光子など、さまざまな粒子が存在します。ところが物理学者たちは現在、普通の電子とも光子ともまったく異なる、非常に奇妙な性質を持つ粒子的な存在を探しています。
その一つが「非可換エニオン（non-Abelian anyon）」です。
非可換エニオンの最大の特徴は、複数の粒子を互いの周囲で動かしたとき、その「動かす順番」によって量子状態が変化すると予想されていることです。つまり、粒子がどのような順番で入れ替わったのかという履歴そのものを、量子状態に記録できる可能性があります。
もしこのような性質を実験的に確認し、自在に制御できるようになれば、量子情報を局所的なノイズから守りながら計算する「トポロジカル量子コンピュータ」につながる可能性があります。そのため、非可換エニオンの探索は基礎物理学だけでなく、量子情報科学においても重要な研究テーマとなっています。
今回、スイス連邦工科大学ローザンヌ校（EPFL）、ワイツマン科学研究所、プリンストン大学などの研究チームは、非可換エニオンが存在する可能性のある特殊な量子状態を調べ、そこで電子のちょうど4分の1に相当する電荷 \(e/4\) を持つ準粒子を直接測定しました。
今回の実験だけで「非可換エニオンを発見した」と結論づけることはできません。しかし、研究対象となった量子状態は、これまで非可換エニオン探索の中心だった量子状態よりも極めて安定です。今回の成果によって、非可換エニオンの正体を実験的に突き止めるための新たな舞台が整いつつあります。
「分数量子ホール効果」が生み出す不思議な粒子
今回の研究の舞台となったのは「分数量子ホール効果」と呼ばれる現象です。
そのために、まず量子ホール効果について少しだけ触れておきます。2次元平面を運動する自由な電子を絶対零度付近まで冷却し、面直方向に大きな磁場が印加されると、2次元面は電子が動けなくなり絶縁化する一方で、そのエッジ部分では電子が移動でき、電流を運ぶことができる状態ができます。この状態を量子ホール状態と呼びます。
この、量子ホール状態はエッジ部分に電子何個分の電荷を運べるチャンネルがあるかで区別されることがあります。例えば\(\nu=1\)では、エッジ部分に電子1個分の電荷を運ぶことのできるチャンネルが通っていることを意味します。もちろん、\(\nu=2\)ではエッジチャンネルはその2倍の電荷を運ぶことができます。
皆さんご想像の通り、この\(\nu\)が分数状態になるものを、分数量子ホール状態と呼びます。分数量子ホール状態は分数なら何でもいいわけではなく、ある特定の分数量子ホール状態のみ安定に存在できることがわかっています。
興味深いことに、この状態では電子の集団的な運動から、電子そのものとは異なる性質を持つ「準粒子」が現れます。
電子1個が持つ電荷を \(e\) とすると、通常は電荷の基本単位は \(e\) です。ところが分数量子ホール状態では、\(e/3\) や \(e/5\) など、電子より小さな「分数の電荷」を運ぶ準粒子が現れることがあります。
もちろん、電子そのものが3個や5個に割れたわけではありません。多数の電子が強く影響し合って集団運動することで、全体として「電子の一部分の電荷を持つ粒子」のような振る舞いが生まれるのです。
イメージするならスタジアムで観客のウェーブが伝わっていくように、電子が集団になって運動し、電荷を運んでいくような状況です。
非可換エニオンが期待される「偶数分母」の量子状態
分数量子ホール状態の中でも、特に物理学者が注目しているものがあります。通常よく現れるのは、\(\nu=1/3\)、\(2/5\)、\(3/7\)など、分数の分母が奇数になる状態です。これに対して、\(\nu=5/2\) や \(\nu=1/2\) のような「偶数分母」の分数量子ホール状態は、通常の系列とは異なる特殊な状態です。
そして一部の偶数分母状態では、そこに存在する準粒子が「非可換エニオン」になっている可能性が理論的に指摘されています。
これまで特に詳しく研究されてきたのが \(\nu=5/2\) という状態です。この状態では、すでに電子の4分の1の電荷 \(e/4\) を持つ準粒子が実験的に報告されており、その準粒子が非可換エニオンである可能性について長年研究が続けられてきました。
ところが、\(\nu=5/2\) 状態には大きな問題があります。量子状態を守るエネルギーギャップが小さく、状態そのものが非常に繊細なのです。この状態は外部からちょっとしたノイズが入るとすぐ壊れてしまうので、準粒子を詳しく調べ、その交換の性質まで実験することは容易ではありませんでした。
もう一つの候補「ν＝1/2」は約10倍も安定
そこで注目されているのが、今回研究された \(\nu=1/2\) の分数量子ホール状態です。
この状態そのものは最近発見されたものではなく、GaAs（ガリウムヒ素）の幅の広い量子井戸では30年以上前から知られていました。しかし、その内部にどのような準粒子が存在しているのかについては、十分に分かっていませんでした。
近年の理論研究や実験から、この \(\nu=1/2\) 状態にも非可換なトポロジカル秩序が存在する可能性が注目されるようになってきました。
さらに大きな魅力は、この \(\nu=1/2\) 状態を守るエネルギーギャップは、これまで研究されてきた \(\nu=5/2\) 状態より約10倍も大きいのです。
これは熱などの外乱によって量子状態が壊れにくいことを意味しており、\(\nu=1/2\) は非可換エニオンを探すための、より頑健な実験舞台になる可能性があるのです。
電子の「1/4」の電荷を直接測定
そこで今回、研究チームは「この \(\nu=1/2\) 状態の中を動いている準粒子は、いったいどれだけの電荷を持っているのか？」という基本的な問いにチャレンジしました。
実験では、幅70ナノメートルのGaAs量子井戸を、「量子ポイントコンタクト（QPC）」と呼ばれる非常に細い通路状に加工し、そこを通過する準粒子によって生じる電流のわずかな揺らぎを測定しました。
この揺らぎは「ショットノイズ」と呼ばれます。イメージとしては、屋根に雨粒が一粒ずつ不規則に当たることで「パラパラ」という揺らぎが生じるのと似ています。電流を運ぶ粒子が一つずつ通過することで生じるノイズを詳しく調べると、1個の準粒子が運んでいる電荷を推定できます。
研究チームは、ほぼ同じ構造を持つ2つのデバイスを用意し、EPFLとワイツマン科学研究所の独立した2つの測定装置で実験したところ、エッジチャネルが高い精度でおよそ\(0.25e\)の電荷をもつことがわかりました。どちらも
\[\boxed{e^*=\frac{e}{4}}\]
と非常によく一致しています。
ただし「非可換エニオン発見」ではない
今回 \(e/4\) の準粒子が確認されたからといって、それだけで「非可換エニオンを発見した」と結論づけることはできません。
今回観測された \(e/4\) という電荷は、非可換エニオンが存在する量子状態の理論と整合しています。しかし、非可換ではない別の量子状態でも \(e/4\) の準粒子が現れる可能性があるためです。
つまり今回分かったのは、「非可換エニオンである可能性を持つ \(e/4\) 準粒子が、非常に頑健な \(\nu=1/2\) 状態に存在する」というところまでです。では、この \(e/4\) 準粒子が本当に非可換エニオンなのか、どうすれば確かめられるのでしょうか。
重要になるのが、準粒子同士を互いの周囲で動かす「交換」の実験です。非可換エニオンでは、複数の準粒子を交換すると、単に粒子の位置が入れ替わるだけではありません。どの粒子をどの順番で動かしたかによって、系全体の量子状態そのものが変化すると予想されています。
この性質を直接確認できれば、「そこに非可換エニオンが存在する」という非常に強い証拠になります。
そして今回の \(\nu=1/2\) 状態は、従来盛んに研究されてきた \(\nu=5/2\) よりエネルギーギャップが大きく、量子状態が壊れにくいという大きな利点があります。
今回の研究は非可換エニオンそのものの発見ではありません。しかし、より頑健な量子状態の中に、非可換エニオンである可能性を持つ \(e/4\) 準粒子が存在することを直接確認したことで、今後その正体を詳しく調べるための重要な足掛かりが得られました。
30年以上前から知られていた \(\nu=1/2\) という不思議な量子状態。その中に、本当に非可換エニオンが潜んでいるのでしょうか。次に行われる「交換統計」の実験が、その答えに迫ることになります。
情報源・プレスリリース
EPFL「Rare quantum state reveals particles with quarter-electron charge」（2026年9月23日）
原著論文
Tomer Alkalay et al., “Observation of e/4 charge at ν=1/2 in a wide GaAs quantum well,” Physical Review Letters, DOI: 10.1103/c73x-q4z7
専門用語の解説
エニオン
主に二次元の量子系で現れる特殊な準粒子です。電子や光子とは異なる「粒子を交換したときの量子力学的性質」を持つことができます。
非可換エニオン
エニオンの中でも、複数の準粒子を交換する順番によって量子状態が異なる結果へ変化するタイプです。この性質を利用したトポロジカル量子計算が研究されています。
分数量子ホール状態
二次元電子系を低温・強磁場に置いたとき、電子同士の強い相互作用によって生じる特殊な量子状態です。電子の電荷の一部分に相当する電荷を持つ準粒子が現れることがあります。
エネルギーギャップ
ある量子状態から別の励起状態へ移るために必要な最低限のエネルギーです。一般にギャップが大きいほど、熱などの外乱によって状態が壊れにくくなります。
ショットノイズ
電荷を運ぶ粒子が一つずつ不規則に通過することで生じる電流の微小な揺らぎです。ノイズの大きさを解析することで、1個の粒子が運ぶ電荷を調べることができます。
