千葉大ら，光ホプフィオンの3次元渦構造を可視化

千葉大学と米デューク大学は，光ホプフィオンを集光照射し，その偏光の渦構造をアゾポリマーに転写することにより，光ホプフィオンの3次元渦構造を可視化することに成功した（ニュースリリース）。

光学分野においても，波面や偏光を空間的に制御した光渦や偏光渦を超える，新たな光の準粒子として光ホプフィオンが実証されている。光ホプフィオンは，偏光構造とその時間位相の4次元構造を3次元空間に投影したもので，その偏光の位相変化を示す輪が結び目を形成する。

したがって，外部の乱れや干渉に対して比較的強い安定性があり，自由空間通信やデータストレージ，マイクロ/ナノスケールでの光操作において革新的な応用が期待されている。また，その特異な偏光渦構造を持つ光ホプフィオンは，新たな物質操作を可能にすると考えられている。

研究グループは以前，光感受性の高いアゾポリマーに光スキルミオンの偏光の渦構造を物質に直接転写することに成功した。

そこで今回の研究では，アゾポリマーをモデル材料として用い，光ホプフィオンの3次元偏光を物質に転写することで，光ホプフィオンによる新たな物質操作の可能性を探求した。

光ホプフィオンは右回り円偏光を持つガウシアンビームおよび動径ラゲールガウスビームと，左回り円偏光を持つ光渦を空間的に重ね合わせることで生成される。研究グループは，波長532nmの連続波レーザーと液晶空間光変調器（SLM），および1/4波長板を用いることで，光ホプフィオンを生成した。

生成した光ホプフィオンを対物レンズによって集光し，ガラス基板上に成膜したアゾポリマー膜を焦点から前方へ軸上移動させ，それぞれの位置で光ホプフィオンをアゾポリマー膜に照射した。その結果，焦点で形成されたアゾポリマー膜の表面には，偏光の渦構造を反映した半月状の凹凸構造を持つ表面レリーフが形成された。

さらに，焦点から離れた位置では，半径の異なる入れ子のような半月状のレリーフ構造が内外に現れるとともに，それらが互いに重なり合うことが確認できた。これは，位相の結び目をアゾポリマーの表面レリーフとして可視化できたことを示している。

今回の研究により，複雑に変化する光のパターンを，光の焦点より離れたところでも，映し取ることができる特殊な光の生成が可能であることが示された。この実験は，光ホプフィオンを用いた新しい物質操作の基礎となる第一歩として位置づけられる。

研究グループは，この成果は，光によってホプフィオンのような3次元準粒子を，液晶などさまざまな物質に生成できる可能性を示唆し，物理学や材料科学における新たな知見をもたらすとしている。