昨年、光を閉じ込めてその場にとどめる材料の作製に成功したMITの研究者たちは、今回、そのプロセスについてより根本的な理解を深めた。基礎的な物理メカニズムの解明に役立つ可能性があるこの新たな研究は、この振る舞いが、一見無関係に思える幅広い現象と結びついていることを明らかにしている。
この研究成果は、 Physical Review Letters誌に掲載された論文で報告されている。共著者は、MITの物理学教授Marin Soljačić、ポスドク研究員のBo Zhen、Chia Wei Hsu、Ling Lu、そしてイェール大学の応用物理学教授Douglas Stoneである。
通常、光を閉じ込めるには鏡か、フォトニック結晶のような特殊な材料が必要となる。どちらの方法も光ビームを遮断するものだが、昨年の発見では、波が自らの放射場を打ち消し合う新たな方法が実証された。今回の研究は、光の偏光方向をねじることを伴うこの光閉じ込めのプロセスが、渦の一種に基づいていることを示している。竜巻から排水口へ流れ込む水の渦まで、さまざまな現象の背景にあるのと同じものだ。
光を閉じ込めるメカニズムを明らかにしただけでなく、新たな解析により、閉じ込められた状態はこれまで考えられていたよりもはるかに安定していることが示された。そのため、生成しやすく、乱されにくい。
「人々はこの［閉じ込められた状態］を非常に繊細なものだと考えています」とZhenは言う。「実現するのはほとんど不可能だと。しかし、実際には安定した形で存在できることが分かりました。」
自然光の大半では、偏光の方向、つまり光波が振動する方向と考えられるものは一定に保たれる。偏光サングラスが機能するのは、この原理による。表面で反射した光は特定の一方向に偏光し、その反射光は、それと直角に向けた偏光フィルターで遮断できる。
しかし、こうした光閉じ込め結晶の場合、材料に入った光は渦を形成するように偏光する、とZhenは説明する。偏光の方向はビームの進行方向に応じて変化する。
この渦では偏光が場所ごとに異なるため、中心に特異点、別名トポロジカル欠陥が生じ、そこで光が閉じ込められるとZhenは言う。
Hsuによると、この現象によって、ベクトルビームと呼ばれるものを生成できる。これは、将来的に小型粒子加速器を実現する可能性を持つ特殊なレーザービームだ。このような装置ではベクトルビームを使って粒子を加速し、互いに衝突させることができる。これにより将来、今日では幅が数マイルに及ぶ円形トンネルを必要とする高エネルギー実験を、卓上装置で実施できるようになるかもしれない。
Soljačićによると、この発見は、超解像イメージング（誘導放出抑制顕微鏡法と呼ばれる手法を用いる）の容易な実装も可能にし、単一の光ファイバーを通じて送信できるデータチャネル数を大幅に増やせる可能性もある。
「今回の研究は、十分に研究されていると思われていた物理系にも、豊かで未発見の現象が潜んでおり、適切な場所を掘り下げればそれを見いだせることを示す、素晴らしい例です」と、シンガポールの南洋理工大学で物理学・応用物理学の助教を務めるYidong Chongは語る。Chongは今回の研究には参加していない。
Chongは、比較的よく研究されてきた材料から、これほど意外な発見が得られたことは注目に値すると述べる。「これは、1990年代以降、理論と実験の両面で広く解析されてきた種類のフォトニック結晶スラブを扱っています」と彼は言う。「この系が非常に特殊なものではないことに加え、トポロジカル現象に伴う頑健性があることから、こうしたモードは単なる理論上の珍奇な現象にとどまらず、
マイクロレーザーなどの技術に活用できるという確信が得られるはずです。」
この研究は、MIT兵士ナノテクノロジー研究所を通じた米陸軍研究局、エネルギー省、全米科学財団から一部支援を受けた。
本記事は、 MIT Newsとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
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著者：David L. Chandlerはフリーランスのライター、著述家で、1975年から科学について執筆している。現在、カリフォルニア大学バークレー校のBruce Mahan化学教授を務める。
画像：2007年1月9日、新竹の台湾積体電路製造（TSMC）で、12インチウェハーが展示されている。ロイター／Richard Chung。
