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格子状に並んだナノサイズの穴を持つ薄い膜が,らせんの光の波長を変える ~極短波長のそろった円偏光を簡単に作り出すことに成功~

 東京大学,豊橋技術科学大学,及び,国立研究開発法人科学技術振興機構(JST)は2020年7月21日,東京大学 大学院理学系研究科の小西 邦昭 助教らの研究グループが,等しい間隔で並んだ正方形の格子の位置にナノサイズの穴を開けた薄い膜を作製し,人が目で見える光波長の円偏光を,真空紫外領域の短い波長の円偏光に直接変換することに成功し,生命科学,材料科学における分光などに十分な強度で利用できることが分かった,と発表した.本研究はJST戦略的創造研究推進事業さきがけ他の支援を受けて行なわれ,原著論文はOptica誌に掲載された(注).また,英文でもリリースされ,海外サイトで紹介されている.

 光は,物質の性質や生命現象の解明において,不可欠なツールの一つとなっている.光は電場と磁場の振動を伝える波で,振動方向や波長によって試料の応答が異なるので,着目する光特性に適した波長や振動方向の光が選ばれる.電場の波が光の進行方向に対してらせんのように回転する円偏光は,回転の向きによって物質の光吸収が異なるため,生体分子の鏡像非対称性や,物質の磁性に関わる電子スピンの状態を知るのに用いられる.中でも波長120~200nmの真空紫外領域(VUV)の円偏光は,生体分子の立体構造や物質の電子状態などの検出に有用な光である.ところが,VUV光の発生には粒子加速器のような大型で複雑な装置を必要とし,しかも直線偏光しか得られないなど,VUV円偏光の生成は困難だった.

 これに対し研究グループは,可視光レーザーの円偏光を,反対方向に回転するVUV円偏光に変換するデバイスを考案・作製し,VUV円偏光の生成に成功した.厚さ525μmのシリコン(Si)基板に,厚さ48nmの高調波発生媒体となるアルミナ結晶(γ-Al2O3)を化学気相成長(CVD)法で被着し,300μm角の領域のSi基板を除去した薄膜部分に直径190nmの穴を周期600nmで正方格子状に開けてフォトニック結晶ナノメンブレン(PCN)を作製する.このPCNに,フォトニック結晶構造の共鳴波長である波長470nm(青)の円偏光フェムト秒レーザー(パルス幅100fs,繰り返し周波数1kHz)を入射したところ,波長157nmのVUV領域第3次高調波が観測された.3次高調波の出力は入力レーザー光強度の3乗に比例して増加する.3次高調波は入力と逆向きの円偏光で,入力を右回りから左回りに変えると,出力は左回りから右回りに変わった.発生した真空紫外コヒーレント円偏光のフォトン数は,1パルスあたり約105個であり,分光への実応用が可能な強度を達成していた.これらの実験結果は数値計算シミュレーションによっても再現できた.

 本手法は今後,円偏光レーザー光電子分光や生体分子イメージング用のVUV光源として,多くの研究で活用される可能性があり,発生光強度の増大と,その発生メカニズムの解明を進めて行くとしている.

(注)Kuniaki Konishi, Daisuke Akai, Yoshio Mita, Makoto Ishida, Junji Yumoto, and Makoto Kuwata-Gonokami, "Circularly polarized vacuum ultraviolet coherent light generation using a square lattice photonic crystal nanomembrane", Optica, Vol. 7, Issue 8, pp. 855-863 (2020), DOI: 10.1364/OPTICA.393816; Published: July 22, 2020