ヤングの二重スリット干渉実験で「光渦」を観測 - 広島大などが発表

広島大学、名古屋大学(名大)、分子科学研究所(分子研)の3者は1月18日、高エネルギー電子が自発的に放出する、渦を巻きながら進行する特殊な光である「光渦」が、それを構成する光子1つ1つでも渦の性質を持っていることを、歴史的に有名な「ヤングの二重スリット干渉実験」により明らかにしたことを発表した。

同成果は、広島大大学院先進理工系科学研究科の和田真一准教授、広島大理学部物理学科の太田寛之氏(研究当時)、広島大放射光科学研究センターの加藤政博特任教授(分子研特任教授兼任)、名大全学技術センターの真野篤志技師、広島大シンクロトロン光研究センターの藤本將輝特任助教、同・高嶋圭史教授による共同研究チームによるもの。詳細は、英オンライン総合学術誌「Scientific Reports」に掲載された。

光の波が3次元空間で広がる時、光源が近い場合の波紋は「波面」の広がりでとらえることができ、波面が球であることから「球面波」と呼ばれる。また光源が太陽のように非常に遠い場合、この球面は平面で近似できることから「平面波」と呼ばれる。

そのほかに特殊な光として、らせん状の波面を示す光渦がある。通常の光では波の山が平面(あるいは球面)をなすのに対し、光渦では中心軸の周りをぐるぐると渦を巻くらせんになっていることが特徴だ(なお光渦は、光の偏光方向が回転する「円偏光」とは異なる)。今回の研究では、光渦を用いたヤングの二重スリット干渉実験を行うことにしたという。

(a)通常の光(平面波)と(b)渦を巻きながら進行する光渦の概念図(出所:広島大プレスリリースPDF)

ヤングの二重スリット干渉実験は、光子が1個の粒子なのに同時に波でもある「光の波動性」を検証する実験として歴史的に有名だ。実験は、光子を1つずつスクリーンに向けて飛ばし、その当たった輝点をプロットしていくのだが、光子発射装置とスクリーンの間には2つのスリット(狭い隙間)が用意されており、光子はそのどちらかを通過してスクリーンに届く仕組みとなっている。

この実験では通常、十分に明るい光源を用いて行うところを、今回の研究では光子1つ1つを検出できる程度に極端に光の強度を下げて実施された。このような極めて弱い光を用いた単一光子状態の実験になると、光の二重性が示されるという。常識的に予想すれば、1個の光子は左右どちらかのスリットを抜けてスクリーンに当たるので、多数の光子を発射すればスクリーンには輝点が集まった2本線ができるはずである。実際、光子が左右どちらのスリットを通過したのかをカメラなどで観察していると、その通りとなる。ところが、なぜか“観察しないようにする”と、光は波の性質を表し、多数の輝点は明暗の干渉縞を作ってしまうのである(その理由はまだ解明されていない)。そして今回の研究では、光渦の光子を用いて同実験が行われた。

実験は、分子研の放射光源「UVSOR-III」を用いて実施された。アンジュレータを通過する電子から発生した放射光のうち、波長フィルターで波長選別することで光渦の性質を持つ成分だけが抽出され、さらに減光フィルターで光子が1つずつ二重スリットを通過する条件を作り出し、その干渉の様子(スクリーンの輝点)を超高速カメラで撮影したという。

実験の概略図。ヘリカルアンジュレータと呼ばれる磁石の配列で、高速な電子をらせん運動させることで光渦を発生させ、二重スリットを通過して干渉した結果がカメラで撮影された。光子1つ1つが持つ渦特性が検証された(出所:広島大プレスリリースPDF)

スクリーンを極めて短時間だけ撮影すると、干渉縞は現れず、輝点はランダムとなる。しかし、その極めて短時間の画像を積算していくと、干渉縞が徐々に形成されていくのがわかるという。画像を5000枚重ねた結果、二重スリットの干渉で生じた幾本もの横縞に加えて、中央部の暗い領域が観測されたとする。

この中央部を画像のコントラストを変えて拡大したところ、横縞の干渉線が、中央の暗部で歪んでいることが確認されたとのこと。通常の光ではこのような結果は観測されず、波面が渦を巻きながら進行する光の特徴を反映しているという。この結果は、今回の実験条件で干渉した場合の理論縞と良い一致が示されていることもわかるとした。単一光子であっても、光渦の性質を持つ強力な証拠としている。

渦を巻きながら進行する光渦における、ヤングの二重スリット干渉実験の結果。(a)は短時間の間で撮影した1枚の撮像画像であり、これを5000枚重ねると(b)の結果が得られる。中央部の暗部を見やすくした(c)では、通常の光では観測されない干渉縞の歪みが観測されている(出所:広島大プレスリリースPDF)

今回の研究成果は、らせん運動をする高エネルギー電子から自発的に放出される光子1つ1つが、渦巻き波面の性質を本質的に持ち得ることが示されているという。このような高エネルギー電子のらせん運動は、自然界に普遍的に存在する現象だ。つまり、光渦は特別な光ではなく、普遍的な存在の可能性を秘めていることが考えられるとする。

また、アンジュレータを利用することで、光渦が発生する波長領域を大きく拡張することができるという。特に放射光が得意とする極端紫外領域やX線領域では、光渦の渦巻きの間隔が桁違いで短くなる。物質との相互作用がより顕著になるこの波長領域での、新しい物理現象や材料加工技術、計測技術への展開が期待されるとしている。