石を押すと、電気が生まれる

1880年、パリ。錫箔と糸鋸の実験

1880年のパリ理学部。ピエール・キュリーピエール・キュリー（Pierre Curie, 1859–1906）
フランスの物理学者。妻マリー・キュリーとともにラジウムを発見し、1903年にノーベル物理学賞を受賞。圧電効果の発見時はまだ21歳の研究助手だった。は21歳、兄のジャック・キュリージャック・キュリー（Jacques Curie, 1855–1941）
ピエールの兄。鉱物学と焦電気の知識を弟と持ち寄り、圧電効果を共同発見した。発見への貢献は対等だったとされる。は25歳。ふたりはシャルル・フリーデルの指導のもと、錫箔錫箔（すずはく）
スズを薄く延ばした金属箔。アルミホイルのようなもので、当時は電極として使われた。現代のアルミホイルとほぼ同じ用途。と接着剤と宝石職人の糸鋸だけで——文字通りそれだけで——水晶やトルマリントルマリン（tourmaline）
ケイ酸塩鉱物の一種。宝石としても知られるが、加熱すると電荷を帯びる「焦電気」の性質があり、キュリー兄弟が圧電効果を予測するきっかけになった。を特定の方向から切り出し、圧縮し、表面に電荷が現れることを測定した。

水晶と聞くと、占いに使われる透明な球体を思い浮かべる人がいるかもしれない。だが水晶——化学式SiO₂——は地球上で最もありふれた鉱物のひとつだ。花崗岩の主成分であり、砂浜の砂粒の大半も水晶（石英）だ。道端の石ころの中にもある。特別な石ではない。あまりにもありふれた石に、極めて特殊な性質が隠れていた——それが圧電効果の発見を際立たせている。

原石の水晶結晶（SiO₂）。ありふれた鉱物でありながら、原子配列の非対称性が圧電効果を生む。（原図: W.carter / CC BY 4.0）

結晶を押すと、電気が生まれる。これが圧電効果圧電効果（piezoelectric effect）
ギリシャ語の「piezein（押す）」に由来。特定の結晶に力を加えると電圧が生じる現象。逆に電圧をかけると結晶が変形する。ライターの着火がわかりやすい例。だ。力を加えると結晶内部で正と負の電荷の中心がずれ、表面に電圧が発生する。1cm³の水晶に約2kNの力を正しい方向からかけると、12,500Vもの電圧が生じる。家庭用コンセントの100倍以上だ。ただし電荷量は極めて小さいので感電はしない。ライターの火花が痛くないのと同じだ。

なぜ力が電気になるのか。水晶の結晶は、シリコン原子（正の電荷）と酸素原子（負の電荷）が規則正しく並んでいるが、その並び方が非対称だ。通常は正と負の電荷の中心がぴったり重なっていて電気的に中性。しかし力を加えると結晶が変形し、正の電荷の中心と負の電荷の中心がわずかにずれる。このずれが結晶の表面に電圧として現れる。重要なのは、対称な結晶構造ではこのずれが打ち消し合って電圧が生じないということ。非対称な構造を持つ結晶だけが圧電効果を示す。自然界の32の結晶クラスのうち、圧電効果を持つのは20クラスだ。

翌1881年、物理学者ガブリエル・リップマンガブリエル・リップマン（Gabriel Lippmann, 1845–1921）
ルクセンブルク出身のフランスの物理学者。熱力学の原理から逆圧電効果を予言。1908年にカラー写真でノーベル賞受賞。が「逆もまた成り立つはずだ」と数学的に予言した。電気をかければ結晶が変形する、と。キュリー兄弟はすぐにこれを実験で確認した。押すと電気が出る。電気をかけると変形する。この完全な双方向性が、圧電効果の核心だ。

キュリー兄弟が最初に圧電効果を確認した物質は、水晶だけではなかった。トルマリン、トパーズ、砂糖の結晶、ロッシェル塩——合計5種類の鉱物で実証した。その後、天然・人工を問わず、多くの圧電物質が見つかっている。

ピエール・キュリー

Pierre Curie（1859–1906）

Wikipedia

21歳で兄ジャックとともに圧電効果を発見。磁性の研究（キュリー温度）を経て、妻マリーとの放射能研究へ。圧電効果で開発した電気計はラジウム発見にも使われた。46歳で馬車事故により死去。

振動する鉱物、時を刻む

発見から40年近く、圧電効果は「研究室の珍品」だった。ピエール自身はこの効果を放射能の測定に転用した——マリー・キュリーとともにラジウムを発見する過程で、圧電電気計が微弱な電荷を測る装置として活躍した。だが圧電効果そのものの応用は進まなかった。

キュリー兄弟が自作した象限型電気計。錫箔と接着剤と糸鋸で組み立てられた素朴な装置が、やがて放射能研究でラジウム発見の決め手となる。（原図: Wellcome Collection, CC BY 4.0）

転機は第一次世界大戦だった。1917年、フランスの物理学者ポール・ランジュバンポール・ランジュバン（Paul Langevin, 1872–1946）
フランスの物理学者。水晶の圧電効果で超音波ソナーを開発。近代的ソナー技術の祖。が、薄い水晶板を2枚の鋼板で挟んだ装置で超音波を海中に発射し、潜水艦からの反射を検出するソナーを開発した。圧電効果の初の実用的応用だ。

そして1921年。アメリカ・ウェズリアン大学のウォルター・キャディウォルター・G・キャディ（Walter G. Cady, 1874–1974）
アメリカの物理学者。1921年に世界初の水晶発振器を開発し「近代圧電技術の父」と呼ばれる。100歳の誕生日前日に死去。が決定的な発見をする。水晶に交流電圧をかけ周波数をゆっくり変えると、ある特定の周波数でだけ水晶が激しく共振することに気づいた。少しでもずれると振動は止まる。この安定した共振共振（resonance）
物体の固有振動数と同じ周波数の力が加わると振動が急激に大きくなる現象。ブランコをちょうどいいタイミングで押すのと同じ。を利用した世界初の水晶発振器が誕生した。

概念的シミュレーション。共振曲線はローレンツ関数で近似。実際のQ値は数万〜数十万。

押して、震わせて、共振させる

圧電効果の話を文章で読むだけでは実感が湧かない。以下の3つのフェーズで双方向性を手で触って確かめてほしい。

体験用の概念的シミュレーション。実際の水晶振動子は真空パッケージ内で動作し変形はナノメートル単位。

共振を見つけたとき、スライダーを少しでもずらすと振幅が急落するのに気づいただろうか。この「頑固さ」が水晶振動子の精度の源だ。共振周波数から外れることを許さない——その性質が時計の正確さを保証する。

なぜ32,768回なのか

クオーツ時計の水晶は1秒間に32,768回振動する。なぜこの中途半端な数字か。32,768は2¹⁵だ。32,768回の振動を15段のデジタル回路で÷2していくと、正確に「1秒に1回」のパルスが得られる。

各段のフリップフロップが周波数を半分に。15段で2¹⁵分の1。実際のICでは数μm角のトランジスタペアで実現。

石から時計へ——145年のタイムライン

赤丸は圧電効果・水晶振動子の直接的マイルストーン　白丸は関連する出来事

鉱物の振動が支える日常

圧電効果の本質は「可逆性」にある。力を電気に、電気を力に。この双方向性がひとつの現象からセンサーと発振器というまったく異なる応用を生んだ。ライターの着火は前者、クオーツ時計は後者だ。

ひとつ、よくある疑問に答えておく。あらゆるスマートフォンや時計に水晶を入れるなら、天然の水晶を掘り出しているのだろうか。答えはノーだ。第二次世界大戦中、天然の電子グレード水晶はほぼすべてブラジルから輸入されており、潜水艦による海上封鎖で供給が途絶えた。戦後、ベル研究所が「水熱合成法」——高温高圧のオートクレーブで水晶を「育てる」技術——を商業化し、1970年代以降、電子機器に使われる水晶はほぼ100%が人工合成品になった。天然水晶と化学的にまったく同じSiO₂だが、不純物が少なく、双晶（結晶の向きがずれる欠陥）がない。むしろ天然より品質が高い。

スマートフォンが正確な時刻を刻めるのは、中の米粒より小さな水晶片が1秒間に32,768回震えているからだ。GPSが現在地を10メートル以内で特定できるのも、衛星の原子時計と地上の水晶発振器が正確な時間差を測れるからだ。時間のずれが1マイクロ秒あるとGPSの位置は300メートルずれる。

もっと根本的なことがある。コンピューターのあらゆる計算はクロック信号に同期して行われる。そのクロックの源は水晶発振器だ。メールを送る、動画を再生する、AIに質問する——すべての裏側で水晶が震えている。1880年にキュリー兄弟が錫箔と糸鋸で見つけた現象が、デジタル社会の時間的基盤になっている。

キャディの言葉は象徴的だ。水晶の共振は初め「厄介な外乱」だった。回路が不安定になる。だがキャディはその外乱をひっくり返して世界で最も安定した発振器を作った。つまずきの石を踏み石に——圧電効果の歴史そのものがこの姿勢で綴られている。

ケースを外した音叉型水晶振動子。実物は約3mm×1mm、米粒より小さい。この金属の音叉が1秒間に32,768回震えることで、スマートフォンもGPSも動いている。