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渦を巻いて飛行する「光子渦」の量子状態を調べる手法を提案 ~ナノテク,暗号通信,宇宙分野への応用に期待~

 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構(QST)は2019年1月11日,日本大学の丸山智幸教授,QSTの早川岳人上席研究員,国立天文台の梶野敏貴准教授が,通常の光子とは異なる,渦を巻いて飛行する「光子渦」が持つ角運動量の大きさ,節の数などの量子状態を,コンプトン散乱で測定可能であることを,相対論的量子力学を用いて示したと発表した.本成果は英国の科学誌Scientific Reportsに掲載された(注).

 「光子渦」は角運動量を持つため,分子を回転させたり物質を捻ったりでき,ナノテクロジーへの応用が進められている.また,通常の光子はスピンの右巻き・左巻きの2つの状態しか持たないが,光子渦には,角運動量の大きさや節の数などの多数の量子状態があるため,1個の光子に多数の情報を持たせることができ,暗号通信でも注目されている.しかし,個々の光子渦の量子状態を知る方法が確立していなかった.

 この課題に対し本研究では,光子渦と電子のコンプトン散乱を相対論的量子力学によって計算し,光子渦の量子状態が測定できることを示した.コンプトン散乱とは,光子が電子と衝突して電子を弾き飛ばして,光子自身も散乱される現象である.通常の光子のコンプトン散乱では,光子と電子の2体による散乱であるため,運動量保存則とエネルギー保存則から,電子の散乱した角度を測定すれば,もう一方の光子の散乱した角度とエネルギーの組み合わせは一義的に決まる.しかし,光子渦の場合には,散乱後の角度とエネルギーが通常の光子とは異なることが判明した.これは,光子渦においては,角運動量の向きが光子の進行方向とは異なっており,また進行方向の周りに回転しているためである.エネルギーのずれと角度のずれは,一定の関係にあり,入射した光子渦の角運動量の大きさや,節の数によって変わる.したがって,散乱後の電子と光子を同時に計測することで,光子渦の角運動量の大きさ・節の数が測定可能であることを示した.

 高いエネルギー領域の光子渦が生成可能になれば,光子渦を原子核や素粒子と反応させることで,従来の光子とは異なる現象が測定できるようになるはずである.そのため,ガンマ線エネルギー領域の光子渦,すなわち,「ガンマ線渦」の生成方法が研究されている.最近,大強度レーザーを用いて,ガンマ線渦が生成する方法が提案され,電子に対して円偏光した大強度レーザーを極短時間で照射すると,大強度レーザーによって生成された高電場で,電子が急激に力を受けて「光子渦」を放出すると考えられる.

 SPring-8などの放射光施設では,ヘリカルアンジュレーターと呼ばれる電磁石を用いて,電子を急速に回転運動させて強い光を放出させている.特に高次高調波と呼ばれるエネルギーの高い光が光子渦になっている可能性がある.高エネルギー電子のらせん運動に伴う光子渦発生は実験室の中だけでなく,宇宙においても極めて強い磁場を持つ中性子星や,ガンマ線バーストと呼ばれる宇宙最大級のエネルギー放出においても同様に光子渦が生成されている可能性がある.

 光子渦はナノテクや暗号通信への応用や,宇宙において光子渦が生成されている可能性も指摘され,光子渦は広い分野で重要な概念になりつつある.今回提案された手法は光子渦が生成されたかどうかを確認する手段となり,また,ガンマ線渦などの未知の光子渦が存在する場合,その量子状態を調べる手段となる.

(注)Tomoyuki Maruyama, Takehito Hayakawa & Toshitaka Kajino, "Compton Scattering of γ-Ray Vortex with Laguerre Gaussian Wave Function", Scientific Reports Vol. 9, Article number: 51 (2019), Published 10 January 2019, DOI: 10.1038/s41598-018-37096-3