螺旋の向きや巻き数を光で制御

科学技術振興機構(JST)戦略的創造研究推進事業の一環として、千葉大学教授の尾松孝茂氏と北海道大学教授の森田隆二氏らのグループにより、螺旋波面とドーナツ型の強度分布を持つレーザ光(光渦レーザ)を金属に照射した時にできる螺旋ナノ針(カイラルナノニードル)の螺旋の巻数が光渦レーザの螺旋波面の巻数と偏光の向き(螺旋性)で制御できることを、世界で初めて実証した。

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光渦レーザの螺旋性は、螺旋波面の巻数で決まる螺旋性Lと円偏光の向きで決まる螺旋性Sがある。LとSはともに整数で、その符号は螺旋の向き(時計回り、反時計回り)に対応する。

今回の研究は、これまでに同グループが発見した「光渦レーザを金属に照射するとカイラルナノニードルができる。」という現象において光の螺旋性とカイラルナノニードルの形の関係を定量的に明らかにしたもの。その結果、カイラルナノニードルの螺旋の巻数は、L+Sで決まり、螺旋の向きはLの符号で決まることが解明された。さらに、L+Sが同じであれば光渦レーザの螺旋波面の巻数Lが違っていても、同じ螺旋構造を持つカイラルナノニードルができることも分かった。このことは言い換えるとカイラルナノニードルの螺旋の巻数や向きを光の螺旋性の大きさと符号だけで完全に制御できることを意味する。

今回の研究成果は、光の螺旋性が金属に転写されるメカニズムの謎に迫るものであり、光の螺旋性を用いた新たな光科学を創出する先駆けになるものと期待できる。また、この成果は将来的には様々な波及効果をもたらすと期待される。例えば、物質のカイラリティーを検出できる近接場光プローブや原子間力プローブ、光学素子のない波長域で旋光性を示すメタマテリアル、さらにはナノコイルやバイオMEMSなどの先端ナノテクノロジーを支える機能性デバイスが光を照射するだけで創成できることになる。

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