千葉大など、多数光渦を物質に転写し可視化することに成功

千葉大学、東北大学、北海道大学は、光の波面に複数の渦が同時に存在する多重光渦を物質に転写して構造として可視化することに成功した（ニュースリリース）。

渦は液体や気体のみならず固体の表面においても観測される現象で、その生成や消滅のメカニズムや渦同士の相互作用に関する研究が進められています。実は光にも、波面の螺旋構造に由来する光渦の存在が指摘されている。

光渦は、波面の中央に光強度がない暗点を有しており、光の位相特異点の性質を理解するための基礎研究から、レーザー加工をはじめとする応用研究まで様々な研究が提案されている。

波面に複数の渦が同時に存在する多重光渦は、物質科学における渦の生成消滅のメカニズムや渦同士の相互作用を研究するシミュレーターとして有望。また、多数の微小物質を同時に捕捉・輸送・回転・操作できる可能性を秘めている。しかし、多重光渦に関する研究はこれまでほとんどなかった。

研究グループは、グリーンレーザー光の波面を空間変調器によって精密に制御し、異なる軌道角運動量を持つ2つの光渦を組み合わせた多重光渦という特殊な光を発生させた。さらに、1/4波長板を使用して、光を円偏光多重光渦に変換した。

そして光に反応して分子が移動して形を変える光応答性高分子材料「アゾポリマー」に、発生させた円偏光多重光渦を照射した。多重光渦の中央にアゾポリマーの突起ができた。また突起のすそ部分は、ねじれた螺旋を描いていた。

軌道角運動量の絶対値の大きな方の光渦の軌道角運動量の符号とスピン角運動量の符号は同じ。螺旋の向きは軌道角運動量の絶対値の大きな方の光渦の軌道角運動量の符号で決まる。さらに螺旋を描く腕の数は2つの光渦の軌道角運動量の差で決まることも分かった。

突起の位置における電磁場をコンピューターシミュレーションで解析すると、突起の位置が渦に対応することが分かった。つまり、形成されたアゾポリマーの突起は渦の場所と角運動量を表していることになる。

また光の回転方向を変えると、多重光渦の中央部の突起が消滅し、周辺に複数の突起が現れ、螺旋を描いていた腕はまっすぐに伸びた。円偏光の向きによらず、多重光渦の光強度分布は変化しない。これは光のスピン軌道相互作用と呼ばれる効果によるもので、多重光渦の中央部の渦が消滅し、多重光渦の周辺部に新たに複数の渦が生成したことを意味する。

研究グループは、この結果は、光マニピュレーションの新たな技術として、渦の物理学、キラリティー化学など、非常に幅広い分野での応用が期待されるとしている。