京大,量子もつれ赤外分光法で広帯域測定を実現

京都大学の研究グループは,中赤外の波長域において,波長1.9μm~5.2μmという広い波長域に渡る量子赤外分光に世界で初めて成功した(ニュースリリース)。

⾚外分光法は,物質中の分⼦の種類の特定に幅広く利⽤されているが,従来の装置は⾚外域での検出器や光源の感度,効率などが装置の⼩型化の重⼤な⽀障となっている。そこで,量⼦もつれ光を利⽤した「量⼦⾚外分光」が注⽬を集めている。

量⼦⾚外吸収分光法は,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で⾚外分光を⾏なうことが可能となり,装置の⾶躍的な⼩型化や⾼感度化が期待される。しかし,これまでの量⼦⾚外分光は,中⾚外域で狭い波⻑範囲域(1μm以下)に限られていた。

今回研究グループは,独⾃に開発した中⾚外域で広い周波数帯域にわたり,波⻑を変化させることのできる量⼦もつれ光源を⽤いた量⼦⾚外分光に初めて成功した。

可視域のレーザー光を⾮線形光学結晶(酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウム)に⼊射すると,可視光⼦と⾚外光⼦の対である量⼦もつれ光⼦対が発⽣する①。この光⼦対を,波⻑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,①の時と同様に光⼦対が⽣成される②。

①と②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じ,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することにより,発⽣する可視の光⼦は増減し,⼲渉縞を⽣じる。

今回,量⼦もつれ光⼦対の波⻑を,⾮線形光学結晶の⾓度を変化させることで掃引しつつ,必要最⼩限の範囲で⼲渉縞を取得することで,⾚外吸収スペクトルを⾼速に取得する⽅法を発案した。

この結果,溶融⽯英ガラスの⾚外スペクトルを,波⻑1.9μm〜5.2μmという広い波⻑域に渡り,4分間で取得することに成功した。さらに,発案した量⼦フーリエ変換⾚外分光法(量⼦ FTIR)と組み合わせることで,必要な波⻑域で⾼い分解能でのスペクトルを取得可能なことも実証した。

これにより,一般的なシリコン光検出器によって,⾚外吸収スペクトルが取得でき,装置の⾶躍的な⼩型化や⾼感度化が可能となる。コンパクトで⾼性能な⾚外分光装置の実現により,環境モニタリングや医療,セキュリティなど様々な分野への波及効果が期待される。

研究グループは今後,従来不可能であった微量物質の鑑別に向け,装置の⼩型化・⾼感度化などに取り組むとしている。

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