電子/陽電子/電子の自転現象（スピン）/電子と電流/

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電子 electron

関連情報

「イオン」

素粒子の１つ	<1>電子はあらゆる原子や原子団の中に存在し、原子核のまわりに位置して殻構造を作っている。 <2>静止質量：9.1093897(54)×10^ー３１ｋｇ <3>電荷：－1.60217733(49)×10^ー１９クーロン <4>原子の束縛を離れた電子は、『自由電子』と呼ぶ。 <5>普通の電子はマイナスだが、電荷がプラスの電子も存在し『陽電子(ポジトロン)』と呼ばれる。
電子の仲間	電子の重さ（質量）＝9.1×10^-28㌘電子の仲間（レプトン）・・・6個ある。電荷を持たない（中性）電子ニュートリノミューニュートリノタウニュートリノ -１の電荷をもつ電子（原子の構成要素）ミューオン（ミュー粒子）・・・電子の210倍の質量タウオン（タウ粒子）・・・電子の3500倍の質量
アンチバング効果	電子物理の原理を実証電流として連続的に流れている電子は、必ず１個ずつ規則的に離れて存在している（アンチバング効果）。ＮＴＴ基礎研究所の山本喜久主席研究員らの研究グループが物理の基本原理を実証することに世界で初めて成功した。この基本原理は４０年以上も前に理論的に予言されていたが、実験で証明することが困難とされてきた。今回の成果でミクロの世界の原理を示す量子力学の考えが正しいことを確認できたことになる。電子は『フェルミ粒子』と呼ばれる素粒子の一種で、粒子同士が重なることが出来ないとされている。このため、電流の電子は、１個ずつ規則的な流れになる「アンチバング効果」と呼ばれる現象が起きる。研究グループではこの現象を実証するため、半導体製造技術を利用して実験に適した理想的な状態の電子を作り出し、１個ずつ存在することを確かめた。研究グループの実験手法はガリウムヒ素膜とアルミニウムガリウムヒ素膜の境界面に閉じこめられた電子を極低温下で集めて高密度の電流にし、２方向に分岐させる。それぞれの電流強度の相関を調べれば、電子が１個ずつ存在することが分かるとした。
スピンホール効果	日立製作所の日立ケンブリッジ研究所(英国)は英米の研究機関と共同で、半導体に電気を通すと磁石に変わる『スピンホール効果』の観察に初めて成功した。通常の半導体は磁石の性質を持たない。ガリウム・ヒ素半導体の極細線に電気を通したところ、線の端面の発光ダイオードが放つ偏光（光の波長の傾き）が、磁石の影響で曲がる「スピンホール効果」を確認した。成果は2005年米物理学誌「フィジカルレビューレターズ」で発表。電子は「スピン」と呼ぶ自転に似た性質を持ち、その偏りによって磁石の性質を持つ。スピンホール効果は電気を流した材料の端面の極微細な領域だけが磁石になる現象。ロシアの学者が提唱し、世界中の研究者が実証を目指していた。スピンを白金で検出「理化学研究所の大谷義近チームリーダーは、スピン（自転）と呼ぶ電子の性質に関する『スピンホール効果』と呼ばれる現象を白金で発生させ、電気的に検出することに成功した。成果は2007年4/13付けのフィジカルレビューレターズに掲載。研究チームは、幅８０ﾅﾉ㍍、厚さ４ﾅﾉ㍍の白金の細線に電流を流して実験し、室温下で電気抵抗の変化として検出した。」
スピン	原子1個分 2011年、物質・材料研究機構は、材料表面の原子1個分の層について、電子の磁石のような性質であるスピン（回転）を分析することに成功した。従来は原子数個分の層をまとめて計測してしまい、最表面の1個分だけを可能にしたのは世界初。成果はフィジカル・レビュー・レターズ（電子版）に掲載。材料のスピンは最表面の1原子層と、2番目以降の内部の層とでは異なることがある。
細菌	■電子出す細菌「海中に生息する細菌が、栄養分から取りだした電子を海水中の鉄に放出する詳しいメカニズムを、新日本製鐵などが出資する海洋バイオテクノドジー研究所(釜石市)が日米韓カナダの共同グループと解明した。細菌などの微生物から電流を取り出す「微生物電池」の開発につながる。『シワネラ・オネイデンシス』という海中細菌で調べた。エネルギー源となる乳酸などから電子を取りだして海水中の鉄に放出する性質を持つ鉄還元細菌の一種。成果は米科学アカデミー紀要に掲載」
伝導電子	日本原子力研究開発機構、東京大学、京都産業大学、大阪大学のグループは、SPring-8を利用して、超伝導状態を引き起こす特殊な電子の動きを観察することに成功した。 SPring-8で発生させたX線を、ウランやアルミニウムなどでできあ金属板に照射した。出てくるエネルギーの大きさを調べると、電子の状態や動きが分かる。研究グループは調べた電子が低温で動き、高温で動かなくなることを発見。電子の動きが見られた低温よりも、さらに温度を下げると超伝導現象が起きるという。
重い電子	自然科学研究機構・分子科学研究所は、2008年4/17、韓国の成均館大学などと共同で超伝導状態を起こしているとみられる「重い電子」の観察に初めて成功した。シンクロトロン光を使った測定装置で実現した。－230℃以上でも起きる高温超電導は、理論的に説明できず物理学のナゾとなっている。木村真一・自然科学研究機構・分子科学研究所准教授らが観察したのはセリウム化合物の中の電子の動き。自由に動き回る伝導電子と、極狭い範囲しか動かない局在電子が結合し、伝導電子の100～1000倍値度の重さの電子になっている。シンクロトロンを使って発生させた高エネルギー状態の極端紫外線を照射し、叩き出される電子を計測した。スピードや方向を計測する装置に特定の電子を抜き出す装置を組み合わせた。ノーベル物理学賞を受賞した米国のフィリプ・アンダーソン博士が、伝導電子と局在電子が力を及ぼし合う重い電子の状態を予想している。
水溶液	の中の分子 2010年、リカ開く研究所や広島大学は、水溶液中にある分子の電子が動く軌道を観測することに成功した。新技術はＳＰring-8から出る低エネルギーの軟エックス線を使う。厚さ150ﾅﾉ㍍の窒化シリコンの薄膜を介して溶液に軟エックス線を当て、出てくる光を観測する。計測結果を解析すると電子の軌道が分かる。
電子雲	直接観察 2010年、早稲田大学の新倉弘倫準教授らは、分子を構成する電子の空間分布（電子雲）を観察する技術を開発した。化学反応中の電子雲の変化をリアルタイムで観察できるようになる。ＪＳＴ（科学技術振興機構）のプロジェクト。電子雲にはシグマ（σ）軌道とパイ（π）軌道がある。新倉准教授らは、両軌道の形の区別、複数のσ軌道同士およびπ軌道同士の電子の波の位置（位相）を一度に観察できる技術を開発した。実験では水素と窒素、二酸化炭素の分子を観察した。発振時間が35フェムト秒（フェムト=1/ 1千兆）で、波長が400ﾅﾉ㍍を800ﾅﾉ㍍の2波長のレーザー光を使う。レーザー光を分子に当てると電子が一度軌道から飛び出して元の軌道に戻り光を出す。2波長のレーザー光を時間間隔をずらしながら分子に当てると、発生する光の特性から電子雲の形を区別できる。今回、電子雲の形は分かったが、寸法はまだ測定できていない。
電子がない	状態の原子が観測されたアメリカ、アルゴンヌ国立研究所のヤン博士らは、従来の1000万倍というＸ線を数十フェムト秒間（フェムト＝1/1000兆）、ネオンガスに照射した。すると、原子核のまわりにあった10個の電子が瞬時にすべてはぎ取られ、丸裸のネオン原子が観測できた。原子があたかも透明になったように見えるという。 nature2010/7/1
重さがない	重さゼロの電子 2012年、広島大学の宮本孝治助教と木村昭夫准教授は超硬材料などに使うタングステンの表面で重さがゼロの電子を発見した。ドイツのミュンスター大学との共同研究。電子には質量があり、引力など周囲の影響で重さが現れる。研究チームは、角度分解光電子分光という技術を使いタングステンの表面を流れる電子は見かけ上の重さ（有効質量）がゼロになり、もともと質量ゼロの光のように振る舞うことを見つけた。スピンの角度を調べる別の技術で、スピンの向きが1方向にそろったまま電子が動くこともわかった。これまで表面で重さがゼロと確認されたのは原子核の影響が小さい「自由電子」だったが、タングステン表面の電子は原子核の引力を強く受けながら移動する「相関電子」。永久磁石や電気抵抗ゼロの超伝導の引き金になる例が確認されている。

電流

絶縁体の境界に電流
- 「東北大学の大友明助手と東京大学のファン・ハロルド助教授らは、絶縁体同士の境目に金属と同じように電気が流れる現象を確認した。作製した絶縁体はともに透明なので、配線として活用すればガラスのように透明な電子回路ができる。
  研究グループは、ストロンチウムとチタンの酸化物でできた結晶の上に、ランタンとアルミの酸化物を分子１層ずつ積み重ねた。両方とも透明な絶縁体だが、ランタンが境目に来るように積み重ねると、境界部分が金属の銅やアルミと同じ程度電気を流したという。2004年1/29のネイチャーに掲載。」

絶縁体の物質で電気信号を伝える
- 2010年、東北大学金属材料研究所や慶応大学などのチームは、電気を通さない絶縁体の物質で電気信号を伝える実験に成功した。
  絶縁体にある電子の自転現象（スピン）が周囲に広がり、信号として取り出せた。電流が不要になり、原理上は発熱の電力損失がゼロという。
  大規模集積回路（ＬＳＩ）に応用すれば、消費エネルギーを8割減らせる。
  3/11のネイチャーに掲載。
  ＬＳＩの配線は、電子が流れて信号を伝える。
  研究チームが見つけたのは、電子自体は流れなくても電子のスピンが次々ととなりへ伝わる現象。
- 波のような動きに信号の伝達役を担わせる仕組み。
  イットリウムや鉄、酸素を含む絶縁体「磁性ガーネット結晶」の両端に、白金の電極を張り付けて実験した。一方の電極に電気を流すと、1mm離れた電極に信号を表す電圧が生じた。
- 絶縁体なのに電気信号が伝わった理由を調べると、電流に応じて電子のスピン波と呼ぶ状態が変化。電気信号が絶縁体中ではスピン波に代わり、電極部分でふたたび電流に変わる現象が起きていた。

地球深部の鉱物
- 「東京工業大学の広瀬敬教授らは、地球内部のマントルの一部に、他よりも極めて電気を通しやすい鉱物があることを突き止めた。
  成果は2008年4/4のサイエンスに発表。
  マントルの最も深い、地下2600～2900kmの場所は、マグネシウムや鉄・ケイ素酸化物で出来た鉱物が占めていることが知られている。
- この鉱物の組成を人工的に再現、大型放射光施設（SPring-8）を使い高温・高圧の条件に保ち電気伝導度を測った。
  その結果、浅いところで見つかる鉱物より、桁違いに電気が流れやすかった。
  マントル深くで電気が流れやすいと、液体金属でできた地球の芯（コア）との間で電磁力が働く。広瀬教授は“地球の自転速度を変える力となり、1日の長さが数ミリ秒単位で変動する様子も説明がつく”と語る

セメントから半導体ガラス
- ２０１１年、東京工業大学の細野秀雄教授と金聖雄特任准教授らは、電気を通さないセメントから電流が流れる半導体のガラスを作ることに成功した。
- 原料は強化セメントの一種であるアルミナセメント。
- セメントは絶縁体だが、真空装置に入れて結晶を構成するカルシウムとアルミニウム、酸素からなる直径約0.44ﾅﾉ㍍のカゴの中の酸素イオンを電子に置換。さらに1230℃以上で液体にし、急速冷却することで半導体のガラスができた。
- このガラスはアルミなど一般の金属より低いエネルギーで電子が外に飛び出す。
- 細野教授らは2003年、セメントから金属と同様に電気が流れる結晶を作ることに成功。2010年は、旭硝子と共同で、消費電力が従来比3割低い蛍光灯の開発にも成功している。