UVSORIIIが光渦の検証実験に成功

分子科学研究所(IMS)の放射光研究グループが、円形もしくは螺旋状に運動する高エネルギー電子が、RFからガンマ線領域の広いエネルギー領域で光渦放射が起きることを理論的に考察し、放射光施設UVSORIIIで実験的に検証した。

 

光渦とは

歴史的には約10年前に放射光の挿入光源(アンジュレータ)でX線領域の高エネルギー光渦を発生することができることが予測された。この可能性は数年後にドイツの放射光施設で実験的に確認されたが、それでも広い波長領域における光渦の発生メカニズムとその性質については不明な点が多かった。(なお日本語の英語表記はVortex Photonであるので、一般的には渦光子と呼ぶべきと筆者は考えているが、可視光実験が先行したため光渦になったのだろう。)

IMS研究グループは光渦理論を発展させ、実験により光渦が円運動もしくは螺旋運動を行う電子から放出される普遍的な光子として理解できることを示した(M. Katoh et al., Scientific Reports online 21 July, 2017))。光渦は天文学やプラズマ科学でおなじみの様々な光子発生メカニズム(サイクロトロン放射、放射光、コンプトン散乱)の根幹にある「運動する電子からの光子放射」の一般化に相当する。

 

UVSORIIIのアンジュレータで光渦を検証

IMS研究グループでは放射光施設UBSORIIIのアンジュレーター(下図)を用いて螺旋運動する電子から放出される光子の回折像を観測し、光束中心に光渦の存在を示す位相特異点を観察した。また高エネルギー電子ほど角運動量が大きいという理論的予測も確認した。この研究によって光渦発生が宇宙空間で普遍的な光子生成メカニズムであることが明らかになった。

 

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Credit: IMS

 

光の波動性は広く認識されている。光すなわち電磁波は電場と磁場が交互に振動しながら真空中を伝搬する。一般には直進する光子は平面波で記述されるが渦光子の波麺は螺旋状で角運動量を持つ。

実験にはヘリカルアンジュレータと光の波動性を実証したファインマンの実験で有名な2重スリットが使われた。

下図(左)は2重スリットで回折された通常の平面波アンジュレータ光、右は位相特異点の存在を示唆する中央部分が歪んだ回折光で、位相特異点は光渦の存在の証拠となる。

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Credit: IMS

 

光渦の存在は25年前に予想されており、実験室では特殊な光学素子を用いれば作り出すことが可能であったが、一定の波長に限定されていた。光渦は特殊な性質を利用してナノ科学、イメージング、情報通信に応用されていたが、通常の光子がブラックホールの強い重力波の影響を受けたり、不均一な星間物質中を通り抜けるときに光渦に変換されると考えられている。

今回の光渦の一般化によって、光渦の幅広い応用が期待されている。また宇宙空間に普遍的に存在する光渦の発見は新しい光子科学の分野開拓につながる。今回の実験に使われたUVSORIIIはアップグレードを繰り返しVUV回折光源となった。この研究では回折光源であることが不可欠で、地道な改良を計画的に行ってきた放射光研究グループの努力が背景にあることを記しておきたい。

関連論文

M. Katoh et al., Phys. Rev. Lett. 118, 094801 (2017)

 

 

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