音は、気体、液体、固体の原子が周期的に振動することで伝わります。私たちが互いに話すとき、話し手の声帯が振動し、肺から出る空気も振動します。これによって音波が生じ、空気中を伝わって聞き手の鼓膜に届き、鼓膜も振動します。聞き手はこうした振動から、話し手の言葉を再構成することができます。
音は、伝わる周囲の環境や音波の周波数の影響を受けます。楽器は、それが生み出す音波を操作できるように設計されています。さらに、犬笛が発する音のように、人間の可聴範囲外にある音波もあることが知られています。物理学者が人間の可聴範囲の内外で音を研究するにつれ、興味深い性質が発見されてきました。
100年以上前、物理学者たちは、熱とは原子の振動に蓄えられたエネルギーにほかならないと理解し、熱と音が関係していることに気づきました。今回、私の研究室は、これらの原子振動にも磁気的性質があることを実験で初めて示しました。
音についての理解を深める
1930年代、物理学者たちは原子振動を粒子としてモデル化し始めました。これは、光を波と粒子の両方として捉える考え方に似ています。光の粒子は光子と呼ばれます。物理学者たちは音波の粒子を、ギリシャ語で音を意味する言葉に由来して「フォノン」と名付けました。
今日、物理学者はフォノンを、波と粒子の両方の性質を持つ準粒子として扱っています。フォノンは音と熱の両方を運びます。金属では、熱は主に原子内の電子の移動によって運ばれます。一方、それ以外のすべての物質では、熱はほぼフォノンだけによって運ばれます。
このように、音波の力学的、音響的、熱的性質は長らく確立されてきました。しかし、これまで音波にも磁気的性質があるかもしれないと考えた人はいませんでした。
熱、音……そして磁性？
私たちは、 3月23日付の『Nature Materials』で、音波が外部磁場と相互作用することを示す実験的証拠を提示します。
実験では、非常に純度の高い半導体であるアンチモン化インジウムの大きな単結晶を用いました。結晶を不均等な2つの部分に切り分け、約-445F（-265C）まで冷却しました。それぞれの部分に、制御された量の熱を個別に流しました。この温度では、フォノンは個々の粒子とみなすことができ、熱の小さなバケツをそれぞれ運ぶ競走路のランナーのようなものです。
小さい方の部分では、フォノンは頻繁に壁にぶつかり、その速度が落ちます。この部分は参照用として使い、実験が、干渉する可能性のある固体のその他の性質に左右されないようにします。大きい方の部分では、フォノンはより速く進むことができ、壁よりも互いにぶつかることが多くなります。磁場をかけると、フォノン同士はより頻繁に衝突する傾向があります。磁場によって衝突回数が増えるため、フォノンの速度も落ち、運ばれる熱量は12%減少します。
これは、固体中の各原子の周りを軌道運動する電子によるものだと考えています。こうした電子の軌道運動は、ごく小さな固有磁場を生み出し、外部から加えられた磁場と相互作用します。この効果は「反磁性」と呼ばれます。この性質は、ガラス、石、プラスチックなど、従来は磁性を持つとは考えられていない物質にも存在します。フォノンが通過して原子が振動すると、この相互作用によって原子に力が働き、フォノン同士の衝突がより頻繁になります。
この成果を何に活用できるのでしょうか？
現時点で私たちが説明したのは、これまで誰も考えたことのなかった新しい概念にすぎません。技術者は、この概念を使って熱波や音波を磁気的に制御できるかもしれません。超音波画像診断システムで行われているように、複数の音源を使えば音波を効果的に導くことはすでに可能ですが、熱伝導を制御するのははるかに困難です。
エンジンや発電所で行われているように、熱を電力や機械的動力に変換することは、人類が使うエネルギーの90%超を供給しています。そのため、熱伝導を自在に制御できれば、エネルギー生産に大きな影響を及ぼす可能性があります。ただし、当然ながら、この新たな概念の応用が実現するのはまだ先のことです。
この記事は当初、 The Conversationに掲載されました。 元の記事をお読みください。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味しません。
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著者：Joseph Heremansは、オハイオ州立大学の機械・航空宇宙工学、物理学、材料科学・工学の教授です。
画像：公式開館式の際のブリュッセルのアトミウム。REUTERS。