日大ら,「光子渦」の量子状態を調べる手法を提案

日本大学,量子科学技術研究開発機構,国立天文台は,通常の光子とは異なる,渦を巻いて飛行する「光子渦」が持つ角運動量の大きさ,節の数などの量子状態はコンプトン散乱で測定可能であることを相対論的量子力学理論を用いて示した(ニュースリリース)。

「光子渦」は角運動量を持つため,分子を回転させたり物質を捻ったりでき,ナノテクロジーへの応用が進められている。また,通常の光子にはスピンの右巻き・左巻きの2つの状態しか持たないが,光子渦には,角運動量の大きさや節の数などの多数の量子状態があるため,1個1個の光子に多数の情報を持たせることができ,暗号通信などの情報工学で注目されている。しかし,個々の光子渦の量子状態を知る方法が確立していなかった。

コンプトン散乱とは,光子が電子と衝突して電子を弾き飛ばして,光子自身も散乱される現象であり,光子と物質の基本的な反応の一つ。

今回,研究グループは,ラゲールガウシアンという種類の波動関数の「光子渦」と電子のコンプトン散乱を相対論的量子力学で計算した。その結果,散乱後の電子と光子を同時に計測することで,「光子渦」の角運動量の大きさ・節の数を測定可能であることが判明した。

通常の光子のコンプトン散乱では,光子と電子の2体による散乱であるため,運動量保存則とエネルギー保存則から,電子の散乱した角度を測定すれば,もう一方の光子の散乱した角度とエネルギーの組み合わせは一義的に決まる。しかし,光子渦の場合には,角度とエネルギーが通常の光子とは異なることがわかった。

これは,光子渦においては,角運動量の向きが光子の進行方向とは異なり,また進行方向の周りに回転しているため。さらに,エネルギーのずれと角度のずれは相関しており,一定の関係にあることが判明した。さらにこれらのずれは,入射した光子渦の角運動量の大きさや,節の数によって変わることが明らかになった。

光子渦のナノテクや暗号通信以外にも,光子渦と原子核や素粒子との反応という新しい分野が拓かれようとしており,宇宙において光子渦が生成されている可能性も指摘されている。研究グループは,今回の研究は光子渦が生成されたかどうか確認する重要な手段となり,また未知の光子渦が存在する場合,その波動関数の状態を調べる手段となるとしている。

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