ポイント
- 電子線を利用して、シリコンボールから円偏光放射線制御に成功
- 角度エネルギー同時分解可能な完全偏波4次元陰極発光法を開発
- ナノスケールでの光の位相マッピングを実現
要約
東京工業大学物質工学院材料系の松方妙子大学院生（博士課程2年）、三宮工准教授、スペインICFOのF. JavierGarcíade Abajo（ハビエル・ガルシア・デ・アバ号）教授の研究グループは、新規開発した完全偏波4次元陰極発光法[用語1]を用いた光位相マップ[用語2]して天体の円偏光放射[用語3]の制御が可能であることを発見した。
完璧な対称性を持つ天体はキラル[用語4]性質を持たないが、電子線を利用して、球状シリコンナノ粒子内双極子[用語5]位相制御をして円偏光の抽出に成功した。
具体的に利用したキラル光ナノアンテナは全方位型アンテナの役割をするため、次世代の光通信などに応用が期待される。
本研究成果は、2020年8月26日付の「ACS Nano「（American Chemical Society米国化学会）オンライン速報版に掲載された。
背景
円偏光は電磁波である光の電場が光の進行方向に対して螺旋状に回転するライトである。 そのスパイラル回転方向を二値的なデジタル信号にして円偏光を利用した量子通信や暗号化などの応用が期待されている。 小型光デバイスを実現するためには、これらの光の偏光状態をナノスケールで制御する必要がある。
物質と光の相互作用で、円偏光の回転選択性は、物質のキラル構造の有無に依存する。 一方、多くの発光源は、キラルな性質を持たないので、円偏光を選択的に発生させるためには、直線偏光光源から放射波長板などの光学素子を通過したり、キラル構造を有する光アンテナに発光源を接続して放射する光の偏光を制御することになる。
特に、ナノスケールの装置では、アンテナをナノスケールされた「光ナノアンテナ “を利用する方法が提案されてきた。しかし、キラル構造を有する光ナノアンテナの偏光の回転方向は、アンテナの構造に固定されて回転方向を自在で制御することができない。
一般的に、円偏光の位相が、他の二つの直交する双極子からの放射のネストさで表現されることができる。 光ナノアンテナで円偏光を定量的に把握が二双極子の位相差を検出することになる。 また、アンテナは、放射角度と周波数（エネルギー）依存性を持つので、光ナノアンテナの評価は放射角とエネルギーを同時に分解する放射線をナノスケールの空間分解能を持って分析する必要がある。
研究結果
本研究では、二つの方法で球状の光ナノアンテナの円形偏光場制御に成功した。 最初は加速電子線を励起源として利用して位相差をつけて2つの直交する双極子を刺激する方法である（図1a）。 マイナスの電荷を持った加速電子が具体クロス位相が異なる落ち[用語6]した双極子が興奮している。
第二の方法は、シリコン（Si）をはじめとした誘電体材料を材料にして、電気双極子プラス極に直交回転電界を伴う自己双極子を刺激する方法である（図1b）。 これらの電気・磁気双極子は、他の共鳴エネルギーを持っているので双極子の間に位相差が発生し、円偏光を生成することを期待することができる。 本研究では、これらの具体的で円偏光生成の概念を実験と理論的に証明した。
図1 具体的に円偏光放射線の概念。
（a）電子線励起を利用した電気双極子による円偏光生成します。 （b）電気と磁気双極子の干渉による円偏光の生成。
今回電子線励起による円偏光を生成するナノスケールで測定する放射角度エネルギーの同時分解可能な完全偏波4次元陰極発光法を新たに開発した。 図2に方法の概略を示す。 この測定は、走査型透過電子顕微鏡[用語7]をベースにしており、1 nmスケールの高い空間分解能での光電界分布を可視化することができる。
試料の電子線励起発光（=陰極発光）の角度分散[用語8]を空間的に維持しながら、分光計2次元CCDカメラの面では、一度に測定し、4次元計測（空間2次元+角度1次元+エネルギー1次元）を可能にしている。 また、偏光素子と1/4波長板[用語9]によって直線偏光円偏光二偏光領域の測定が可能になっている。 この技術を利用して、6つの偏光状態の強度分布から直交空間の相対位相差と偏光状態を示すストックのパラメータの空間分布を算出することができる。 今回はSiナノ球体で円偏光の放射線測定を実施した。
- 図2
- 完全偏波4次元陰極発光法。 走査型透過電子顕微鏡を基本としており、試料の放射角度とエネルギーを同時に分解しながら空間マッピングを提供する。 6つの異なる偏光状態でストックのパラメータを算出することができる。
図3aは、電気双極子共鳴エネルギー領域での相対位相差δマッピングである。 この位相差δが0 <| δ| <πのとき、放射空間は、円偏光成分を有する。 図3aから位相差の符号が左右に反転し、放射される円偏光の回転方向が反転していることがわかる。 これはここの場所が左右に反転したとき、左右に分極した双極子モードの符号が反転しているからである。 これは、図1aに示すような円偏光の生成を実証している。
図3bは、電気と磁気双極子の干渉エネルギー領域での相対位相差δマッピングである。 斜め極同士のようなコードの4極の位相分布を得ることができた。 これは、図1bに示されたように、回転方向が4極に分布するような円偏光放射線の姿を実験的に証明している。 また、これらの結果は、理論的な分析計算でも裏付けられている。 以上のように二つの概念の円偏光放射を実験的に証明し、それを生成直交する電界の位相差分布の取得に成功した。
- 図3
- 相手位相差δマッピング。 （a）位相が異なる退化された電気双極子の干渉による円偏光放射線の刺激分布。 （b）電気と磁気双極子の干渉による円偏光放射線の刺激分布。
今後の展開
本研究で提案のような対称性が高い構造で、円偏光制御は、全方位型の円偏光アンテナとして有用であると考えている。 また、本研究で開発した完全偏波4次元陰極発光法は、ナノスケールでの偏光状態と位相抽出が広く可能なため、今後の光デバイスとナノフォトニック材料の分析と研究開発に強力なツールとなる。
用語説明
[用語1] 陰極発光法 ：加速電子によって励起された発光（陰極発光）を測定する方法。 陰極発光は、昔はCRTモニター（CRT）などに利用されている。
[用語2] 光の位相マップ ：電磁波である光は、電界と磁界の振幅と位相で構成されている。 通常の光検出は、振幅成分（エネルギー）だけを検出することができませんが、位相の基準となる参照波と干渉させることで、位相成分の抽出も可能である。 ここでは、加速電子による発光の相対位相を検出した。
[用語3] 円偏光放射 ：電界成分が時間的に回転する光の放射。 電界が方向に固定された放射線は、直線偏光。
[用語4] キラル ：構造が、その鏡像と重ね合わすことができない性格。 例えば、右手の鏡像である左手は右手重ね合わすことができないため、右手（または左手）は、キラル構造である。
[用語5] 双極子 ：正と負の電荷に分かれて電荷の（または磁荷台）。 この電荷が振動する光（電磁波）が放射される。
[用語6] 堕落した ：モードのエネルギーが同じもの。 エネルギー分解だけで退化した形を区別することができない。
[用語7] 走査型透過電子顕微鏡 ：高エネルギー電子線を試料に融合させ、電子線をスキャンして、ナノスケール（およびサブナノスケール）で物質や生体イメージング顕微鏡。
[用語8] 角度分散 放射角度とエネルギーの2次元的な関係。
[用語9] 1/4波長板 ：複屈折によって、直交光電界の1/4波長分の位相差を与える光学素子。
簿記
本研究は、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業前兆研究領域「光の極限制御と積極的に活用し、新しい領域の開拓（研究総括：上田健一）」の研究課題「加速電子線を利用した光ホログラフィ」（研究者：三宮工場（JPMJPR17P8））科学研究費特別研究員奨励費（研究者：松方妙子（20J14821））を受けて行われました。
論文情報
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掲載誌： |
ACS Nano |
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論文タイトル： |
ナノスケールの相対位相マッピングによって明らかになった具体的でキラル発光 |
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著者： |
Taeko Matsukata、F. JavierGarcíade Abajo、Takumi Sannomiya |
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DOI： |
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