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プレスリリース

渦巻く光が自然界にも存在(加藤政博教授ら)

分子科学研究所の加藤政博教授らは光渦と呼ばれる奇妙な光が自然界に広く存在する可能性を世界で初めて理論的に示しました。


光は電磁波とも呼ばれる通り、波として空間を伝搬します。波の山の部分をつなぎ合わせたものは波面と呼ばれます。普通の光の波面は平面や球面になっています。これに対して、波面が螺旋状の奇妙な光が存在するということが今から約25年前に明らかにされました。このような光は光渦と呼ばれています。光渦は軌道角運動量を運ぶと考えられており、物体に当たるとそれを回す力(トルク)を及ぼすと言われています。また、原子や分子などに当たると、普通の光では起きない反応が起きると言われています。光渦は、実験室で特殊な光学素子を用いてレーザー光から人工的に合成することができ、それを使って様々な研究が進められています。その一方で、このような奇妙な光が自然現象で生みだされることはないというのがこれまでの常識でした。


加藤教授らは、円軌道を描いて運動する電子が放射する光について理論的に解析した結果、それが、螺旋状の波面を持つ光渦であることを世界で初めて見出しました。円軌道を描く電子からの放射過程は、磁場の中を運動する電子によるサイクロトロン放射を始め、自然界で重要となる様々な放射現象の基礎となるものです。このため、20世紀の初頭以降、数多くの研究がなされ、電磁気学の教科書では必ず取り上げられています。加藤教授らの今回の成果は、このよく知られた放射現象が光渦という奇妙な光を生み出すという、100年以上誰も気がつかなかった秘密を明らかにしたものです。円軌道を描く電子は、天体のまわりの磁気圏など、自然界の様々な場所に存在します。そのような電子は光渦を放射しているはずです。今回の成果は、光渦が自然界に普遍的に存在するものであることを示しています。光はエネルギーの運び手であり、物質に様々な作用を及ぼします。この軌道角運動量を運ぶ奇妙な光は自然界でどのような役割を担っているのでしょうか。これまで研究者が足を踏み入れていない全く未開拓の研究領域の存在を浮かび上がらせる研究成果です。

 

本研究成果は、2017年2月27日に米国の科学雑誌 Physical Review Letters オンライン版に掲載されます。

 

研究の背景

光は電磁波と呼ばれる波であると考えられています。波の山の部分をつなぎ合わせたものが波面と呼ばれます。普通の光の波面は平面であったり球面であったりします。これに対して、今から25年ほど前に光渦と呼ばれる奇妙な光が存在することが理論的に明らかにされました。光渦は、螺旋状の波面を持ちます。また、光渦は軌道角運動量を運んでいると考えられており、物体に照射されるとそれをねじるような力(トルク)を与えることが実験的に検証されています。また、原子や分子などに照射されると、通常の光では起こらないような光反応を引き起こす可能性があると考えられており、研究が進められています。

この光渦は、今日ではレーザー光を特殊な光学素子を通すことで人工的に合成する手法が確立されており、情報通信、ナノテクノロジー、イメージングなど様々な分野での実用化を目指して研究が活発に進められています。一方で、自然科学の分野では光渦に関する研究はこれまでほとんど行われてきませんでした。その理由は、このような奇妙な光が自然現象で生み出されるとは考えられていなかったからです。もし天文観測で光渦が検出された場合、それは宇宙人の存在を示しているのかもしれない、とする論文さえあるほどです。自然現象で光渦が生成されるとは思えないので、宇宙から飛来する光渦がもし検出されたら、それは宇宙人が光通信をしているのかもしれないというわけです。
 

20170228.png.通常の光(左)と光渦(右)の波面(上)と強度分布(下).光は図の上方へ進行している.通常の光(平面波)は波面(波の山の部分をつなぎ合わせた面)が平面であるのに対し、光渦は波面が螺旋状になっている.普通の光は中心で最も強度が高いのに対し、光渦は中心で強度がゼロのドーナツ状の強度分布をしている.

 

研究の成果

今からおよそ10年前に、アンジュレータと呼ばれるシンクロトロン光発生装置から放射される光に光渦の成分が含まれている可能性が理論的に示され、その後実験的に確認されました。加速器の中を走る高エネルギーの電子ビームが光渦を放射するというのです。加藤教授らは、この背景となる物理過程について理論的な考察を進めました。その結果、この現象の根底に、円軌道を描いて運動する電子の放射する光が螺旋状の波面を持ち軌道角運動量を運ぶ光渦である、という驚くべき事実があることを発見したのです。円運動をする電子からの放射は、円運動の周期に対応する振動数の光とその整数倍の振動数を持つ光を同時に放出することが知られています。この基本周波数の整数倍の振動数を持つ光が渦の性質を持っていることがわかりました。

一般に電子が光(電磁波)を放射するのは、電子が力を受けて加速度運動するときです。電子の加速度運動により、電子のまわりに形成されている電場が振り払われて、空間を伝搬するのが光(電磁波)です。円運動は常に円の中心に向いて力を感じながら運動する加速度運動の一種です。例えば、磁場の中を運動する電子はローレンツ力と呼ばれる力を受けて磁力線に巻きつくように円軌道を描いて運動します。宇宙には磁場を帯びた天体が数多く存在します。地球もその一例ですし、超新星爆発の後に残される中性子星が非常に強い磁場を帯びていることもよく知られています。円軌道放射はこういった磁場を帯びた天体の周辺を始めとする自然界の様々な場所で重要な役割を果たす現象です。このため20世紀の初頭以降、数多くの研究がなされ、今日では電磁気学の教科書に必ず記述されています。誰もが「研究されつくされた」と思っていた物理現象に、思いがけない秘密が、100年以上も誰にも気がつかれることなく隠されていたというわけです。

 

この研究の社会的意義と今後の展開

今日では光渦はレーザー光を特殊なフィルターを通すことで作り出すことができます。これに対して、この研究では、円軌道放射という自然界で極めて一般的にみられる現象によって光渦が生成されることが示されました。光渦は実験室で人工的に作り出される特殊な光であるというこれまでの常識とは全く正反対に、光渦は自然界の様々な場所で普遍的に存在するものであることがわかりました。軌道角運動量を運ぶこのような光が物質とどのような相互作用をするのか、自然界でどのような役割を果たしているのか、全く手つかずの新しい研究分野の存在が浮かび上がってきました。

本研究で明らかになった現象を利用することで、全く新しい光渦発生装置が開発できる可能性があります。これまでの光渦研究は可視光を中心とする比較的狭い波長範囲で進められてきました。一方で、円軌道を描く電子は、そのエネルギー等に応じて、電波からガンマ線まであらゆる波長域の光(電磁波)を出すことができます。即ち、本研究により、あらゆるエネルギー(波長)領域の電磁波で光渦を発生させることができる可能性が明らかにされました。これまで情報通信、ナノテクノロジー、イメージングといった分野で進められてきた光渦の利用が、光のあらゆる波長域で展開できるようになり、物質科学などより幅広い領域で新しい研究ツールをもたらす可能性があります。
 

用語解説

  • アンジュレータ
    周期的に極性の入れ替わる磁場を発生し、高エネルギーの電子ビームを蛇行運動させて、強力なシンクロトロン光を発生する装置。
     
  • 軌道角運動量
    物体が持つ角運動量は自転に伴うスピン角運動量と公転に伴う軌道角運動量がある。光も角運動量を有するが、偏光に対応するスピン角運動量はよく知られていたが、約25年前に光渦の存在が明らかになり、それが軌道角運動量を有することが理論的に示されたことから、一躍脚光を浴びることとなった。

 

論文情報

掲載誌:Physical Review Letters

論文タイトル:Angular Momentum of Twisted Radiation from an Electron in Spiral Motion
螺旋運動をする電子からのねじれ放射の角運動量

著者:M. Katoh, M. Fujimoto, H. Kawaguchi, K. Tsuchiya, K. Ohmi, T. Kaneyasu, Y. Taira, M. Hosaka, A. Mochihashi, Y. Takashima

掲載予定日:2017年2月27日

DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.094801

 

研究グループ

分子科学研究所、室蘭工業大学、高エネルギー加速器研究機構、九州シンクロトロン光研究センター、産業技術総合研究所、名古屋大学の共同研究

 

研究サポート

科学研究費補助金 基盤研究B26286081

 

研究に関するお問い合わせ先

氏名 加藤政博(かとうまさひろ)
所属 分子科学研究所 教授
TEL:0564-55-7206 FAX:0564-54-7079
E-mail:mkatoh_at_ims.ac.jp(_at_ は@に置き換えて下さい)
 

報道担当

自然科学研究機構・分子科学研究所・広報室
TEL/FAX:0564-55-7262
E-mail: kouhou_at_ims.ac.jp(_at_ は@に置き換えて下さい)