分子の指紋領域の量子赤外分光を量子もつれ光を用いて京大が成功

京都大学(京大)は、赤外分光計測による物質の鑑別に重要な「指紋領域」と呼ばれる波長域に含まれる、波長8～10.5μmでの量子赤外分光に成功したと発表した。

同成果は、京大大学院工学研究科の竹内繁樹教授、同・岡本亮准教授、同・向井佑特定助教らの研究チームによるもの。詳細は、光学とフォトニクスに関する全般を扱うオープンアクセスジャーナル「Optics Express」に掲載された。

光子や電子などの量子同士の間がどれだけ遠くに離れていても、まるで光の速度を超えて何かが伝わっているかのように見える不思議な相関現象である「量子もつれ」は、量子技術の重要なリソースとして日々研究が続けられており、同現象を活用した技術の1つに「量子赤外分光」がある。

同技術は、スマートフォンのカメラなどにも利用されているシリコン光検出器で検出可能な可視・近赤外域と、赤外域の光子からなる量子もつれ光の発生プロセス間の量子干渉を利用することで、赤外分光を可能とするもので、装置の小型化・高感度化・低コスト化などにつながることが期待されている。

しかし、これまでの量子赤外分光は5μm以下の短い波長域に限られており、物質の鑑別に重要な指紋領域(波長7.7μm～16.7μm)での分光は実現していなかったという。その原因として、量子もつれ光子対の発生に広く利用されてきた材料(非線形光学結晶)が、5μm以上の遠赤外域で不透明であることが挙げられている。

そこで研究チームは今回、波長5μmを超えても透明である非線形結晶の、「硫化銀ガリウム(AgGaS₂)」に着目し、量子もつれ光子対生成のための適切な条件を見出すことにしたという。その結果、指紋領域に含まれる、波長6～12μmの赤外光子と、シリコン光検出器で検出可能な波長1.1μm以下の可視・近赤外域(VNIR)の光子対を発生させる、量子もつれ光源が実現されたとするほか、その量子もつれ光源を用いて、指紋領域(波長8～10.5μm)での量子赤外分光に成功したとする。