任意に変化する速度で飛ぶ光弾丸達成!

任意に変化する速度で飛ぶ光弾丸達成!

2020-12-2自然科学系
レーザー科学研究所李朝陽助教/河仲準二教授

研究成果のポイント

光弾丸の速度は飛行中に変化しています。加速、減速、超光速、低光速はすべて、単一の飛行経路で発生します。今回光弾丸の飛行速度を正確かつ任意に制御することができました。
・光の速さを制御することで、電子の加速効率を大幅に向上させることや高解像度超高速イメージング分野等、さまざまな分野で画期的なブレークスルーに繋がることが期待されます。

概要

大阪大学レーザー科学研究所の李朝陽(Zhaoyang Li)助教、河仲準二教授の研究グループは、光パルスの強度面整形(位相面は変更されません)と非回折光を組み合わせることで、自由空間内での直線軌跡飛行光弾丸を理論的に生成しました。私たちの以前の研究(Scientific Reports、DOI:10.1038/s41598-020-68478-1)は、光弾丸の速度や加速度は変化させることができますが、1つの伝搬経路には1つの運動形態(例えば、速度は超光速または低光速、加速度は加速または減速)しか存在しませんでした。この新しい研究では、生成された光弾丸は、単一の伝搬経路で同時にいくつかの異なる運動形態を持っています。例えば、光弾丸は最初に低光速で飛行し、次に超光速で飛行します。光パルスの強度面は自由に制御できるため、単一の伝搬経路での光弾丸の速度も自由に制御できます。光弾丸の速度の制御性が高いことから、速度に合わせたマイクロマニピュレーション、顕微鏡観察、粒子加速、放射線発生などの特定の用途が可能になります。

本研究成果は、英国科学誌「Communications Physics」に、11月13日19時(日本時間)に公開されました。

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図1 変速飛行の光弾丸(ビームセンターを見る)

研究の背景

「光の弾丸」と名付けられた時空間の三次元光学ソリトンは、多くの新しい特性と幅広い用途を持っています。アルバート・アインシュタインの相対性原理によれば、光速は一定であり、それを超えることはできませんが、光パルスの群速度を制御することは可能です。光パルスの時空間結合は、自由空間での光弾丸の速度を制御する機会を提供します。以前の結果(Scientific Reports、DOI: 10.1038/s41598-020-68478-1)では、光パルスの強度面を変形させることにより、光弾丸の速度と加速度を制御することができます。ただし、問題は、1つの伝搬経路には1つの運動形態(例えば、速度は超光速または低光速、加速度は加速または減速)しか存在しませんでした。

今回提案した超短パルスを任意に時空間結合することは、速度可変光弾丸を生成し、速度を任意に設計することができます。

本研究成果が社会に与える影響(本研究成果の意義)

光の速度を制御することは、物理学の研究では古くからホットで難しいテーマでした。本研究では、時空間結合(強度面整形)により光弾丸群速度を任意に制御することが可能であることを示しました。これはアインシュタインの相対性理論の原理に反するものではありません。この方法では、速度が可変の3次元光弾丸を生成し、「時間分解不変」から「時間分解可変」へと光と物質の相互作用に関する研究の幅を広げることに繋がります。例えば、光弾丸で加速された電子を用いた実験では、光弾丸の飛行速度を制御できれば、光弾丸で発生する電磁場と飛行中の電子を完全に一致させることができるため、電子の加速効率を大幅に向上させることができます。また、生物学的高解像度超高速イメージングの分野では、検出用光弾丸の飛行速度を制御することで、新たなブレークスルーがもたらされます。

特記事項

本研究成果は、2020年11月13日午後7時(日本時間)にNature Publishing社が発行する「Communications Physics」誌(オンライン)に掲載されました。

題名:「Optical wave-packet with nearly-programmable group velocities」
邦訳:「ほぼプログラム可能な群速度を持つ光波動パケット」
著者:李 朝陽(Zhaoyang Li)、河仲 準二(Junji Kawanaka)
DOI: 10.1038/s42005-020-00481-4

本研究は、未来社会創造事業の「JPMJMI17A1」を受けて行われました。

参考URL

レーザー科学研究所 パワーレーザーシステム工学グループHP
https://www.ile.osaka-u.ac.jp/research/rdl/

用語説明

強度面

光パルスの強度のピーク位置をつないだ面。

位相面

光パルスの波が同じ位相を持っている表面。

光弾丸

時空間の三次元光ソリトン。