京大,量子もつれ光による赤外分光法を実証

京都大学は,量子もつれ光の干渉を用い,可視光のみの検出で赤外分光を実現する「フーリエ変換型赤外量子分光法」を提案・実証した(ニュースリリース)。

光のさまざまな波長(色)の対となった「量子もつれ」光源の活用が注目されている。最近,その量子もつれ光を利用した,「赤外量子吸収分光法」が注目を集めている。

赤外分光法は,物質中の分子の種類を特定する方法として幅広い分野で利用されているが,赤外域での検出器や光源の感度や効率などが,装置の小型化の重大な支障となっていた。

赤外量子吸収分光法は,可視域と赤外域に発生する「量子もつれ光子対」を利用することで,一般に用いられているシリコン光検出器と可視域の光源のみを用いて赤外吸収スペクトルを取得することが可能となり,装置の飛躍的な小型化や高感度化が期待される。

しかし,従来の赤外量子吸収分光法では,可視域の光子を波長ごとに分解するための「分光装置」を設ける必要があり,小型化の実現や高分解能の実現に問題となる。そこで研究グループは今回,分光装置を用いない新たな赤外量子分光法「フーリエ変換型赤外量子分光法」を提案,実証した。

可視域のレーザー光を非線形光学結晶に入射すると,可視光子と赤外光子の対であるもつれ光子対が発生する。この光子対を,波長フィルターで分離し,赤外光子を鏡で反射させる。

また,可視光子とレーザー光も,別の鏡で反射し,非線形光学結晶に再度入射すると,同様に光子対が生成される。この二つの発生事象は、その出力からは区別することが出来ないため,いわゆる量子干渉が生ずる。その2つの事象の位相差を,赤外光子の反射鏡の位置を掃引し変化させることで,発生する可視の光子は増減し,干渉縞を生じる。

今回,この干渉縞をフーリエ変換することにより,赤外光子の経路に設置された媒質の,赤外吸収スペクトルや,さらに通常のフーリエ変換型赤外分光法(FTIR)での測定が困難な屈折率スペクトルを取得できることを理論的に示した。

さらに,検証用の実験系を構築し,光学特性が既知である光学フィルターの透過率絶対値スペクトルや,石英ガラスの屈折率と消衰係数のスペクトルの計測に成功した。

この方法を用いることで,スマートフォンなどで用いられているシリコン光検出器によって,赤外吸収スペクトルや屈折率スペクトルが取得できるようになる。これによって,装置の飛躍的な小型化や高感度化が可能となり,量子センシングの社会実装が期待されるという。

研究グループは今後,この技術の実用化を目指し,より長波長域での赤外量子分光測定の実証や,装置の小型化などの研究を推進するとしている。

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