レーザはマイクロメートルサイズの粒子をチャージし、捕捉

December, 4, 2025, Washington--オーストリア主導の共同研究は、光ピンセットを使って微小なシリカ粒子を捕捉し、帯電している。
充電過程が二光子吸収を伴うと結論づけた研究チームによると、この技術が電子状態の探査や、現在謎に包まれている雷形成現象の説明にも役立つ可能性がある(Phys. Rev. Lett., doi: 10.1103/5xd9-4tjj)。

シリカのトラップ
光ピンセットは、微小な物体を保持し、電気的な力を含む微小な力を感知できる、密に集束したレーザビーム。1976年、アメリカ・ニュージャージー州のベル研究所の科学者たちは、レーザを使ってガラス粒子を光学的に浮遊させ、その電荷を測定したが、レーザ自体が粒子に電荷を供給できることも発見した。

オーストリア科学技術研究所(クロスターノイバーグ)のScott Waitukaitis, Andrea Stoellnerらは、オーストリア、日本、スイス、デンマーク、イギリスの研究者と共に、このほとんど見過ごされがちな研究をさらに発展させ、レーザを用いて直径0.7µmの非晶質シリカ粒子の電気的挙動を探求した。チームは緑色レーザビームの2つの半分を反対方向から小さな空気充填チャンバーに送り込み、レンズペアを使ってエアロゾル内にシリカ粒子を捕捉するトラップを作り出した。

研究チームは各レンズを銅のリング電極で囲み、ビーム軸に沿って交互に2kHzの電界を発生させた。チームの指摘によれば、これにより粒子は帯電していれば駆動周波数に沿って軸を前後に振動させるはずである。粒子から散乱したレーザ光をフォト検出器に照射することで、粒子の前後の動きを測定し、任意の時点での電荷を計算することができた。この計算は、粒子の熱運動を電気駆動運動から差し引くものだった。

二光子吸収を指示
Waitukaitisらはまず粒子の振動スペクトルを研究し、予想通り2kHzの周波数でピークを観測した。その後、異なるレーザ出力で粒子の蓄積電荷を測定し、高い出力ほど電荷生成が速くなることを発見した。それぞれの場合、合計電荷は約1時間後に平坦化し始めたが、初期(線形)充電速度をレーザ強度にプロットし、強度の二乗で前者の充電速度がきれいに変化することを発見した。

研究チームによると、この二乗法則依存性が二光子吸収によって粒子がイオン化されている明確な特徴である。しかし、一見するとこの過程はシリカのバンド構造とは矛盾しているように見えるとも指摘している。なぜなら、物質の価電子帯と真空準位の約10電子ボルト(eV)差は、レーザの緑色光子2個が提供する4.66eVのエネルギーでは埋められないからである。

研究者たちは、この見かけ上の不一致は、わずかに非晶質なシリカの無秩序性によって価電子帯上にインギャップ状態が存在することによって説明できると示唆している。研究チームによれば、一つの可能なシナリオは、バンドギャップ内の初期状態から伝導帯へ電子が励起され、そこから分子からの熱的攪拌によって外に出るというものである。あるいは、バンドギャップ内には多様な状態が存在し、その中には伝導帯に十分近いものもあり、電子が直接解放される可能性があると推測している。

研究チームは両方の可能な説明に欠点があると説明している。チームによると、熱的仮説は理論と整合しにくい。なぜなら、特定の係数が観測値の10倍である必要があるからだ。一方、直接放射はバンドギャップ内で物理的基盤が確認されていない状態の分布を含む。

チームによると、競合する仮説を検証する一つの方法は、深赤外線波長で追加のレーザを使って粒子を加熱することである。チームが指摘するように、熱的なシナリオでは放出が温度によって明確に変化するが、直接放出の場合はそのような変動は起こらない。

雷の探求
今後の応用については、Waitukaitisらは特に雷の理解を深めるために利用される可能性があると主張している。科学者たちは、雷の形成には嵐雲内の電場と初期の火花の両方が必要であることに同意している。しかし、雲の内部で測定される電場はこの過程を可能にするには小さすぎるようである。

Waitukaitisは、氷結晶の表面近くの電場(粒子)は、雲の塊の電場よりもはるかに大きいことがあると指摘している。Stoellnerによれば、この新しい研究は氷結晶がどのように磁場を強化するかをより正確に理解するのに役立つはずである。「これにより、電気の充電と放電の微物理学を調査でき、粒子の表面で何が起きているのかを理解する助けになるかもしれない」と同氏はコメントしている。