ラセン状ビームでアモルファス固体の二色性が明らかに

March, 22, 2024, Ottawa--アモルファス固体は一般に、偏光の異なる光線に対して同じように反応すると考えられている。アモルファス固体は、その原子がランダムに配置されているため、長距離規則性を持ない。つまり、光は等方性であるため、光の偏光によって応答が変化せず、左円偏光でも右円偏光でも、入射光は同じ程度に吸収される。

しかし、新しい研究によると、ヘリカル光として知られるものは、ねじれの方向に応じて、無秩序な固体に異なるレベルの吸収を誘発し、結晶性固体にも同様の効果があることが示されている(Nature Commun., doi: 10.1038/s41467-024-45735-9)。

ヘリカル光の生成
標準偏光が光波の電場振動の向きを考慮し、スピン角運動量と関連しているのに対し、ラセン光は有限の軌道角運動量を持っている。このようなビームの波面は、伝搬方向に対して直角に固定されているのではなく、伝搬軸を中心に回転し、その中心に「位相特異点」を形成する。角運動量が大きいほど、波長の空間で波面が完了するサイクルがますます多くなる。

カナダのオタワ大学(University of Ottawa)のRavi Bhardwajの研究グループは、ビームの波面の位相プロファイルを形成する複屈折材料、qプレートに赤外線レーザのフェムト秒パルスを照射してラセン状の光を生成した。次に、この光をアモルファス固体のサンプルを通過させ、その透過率を光検出器を使用して測定した。研究チームは、可動式プラットフォームにqプレートを取り付けて、ビームプロファイル内の特異点の位置を変化させ、ドーナツの穴のように強度プロファイルに空隙を作った。

1波長あたり1回または3回のねじれでラセン方向に光を生成し、その光を石英ガラスとホウケイ酸ガラスに向けると、研究チームは、真ん真ん中にある特異点について同レベルの吸収を測定した。しかし、特異点、つまりボイドをわずかにシフトさせると、Bhardwajのチームは、反対の軌道角運動量を持つビームが、ボイドオフセットのサイズに応じて異なる程度に吸収されることを発見した。

研究チームは、この結果は「二色性がアモルファス固体には存在しないという従来の常識に挑戦する」と主張しており、そのような物質は長距離秩序を持たないが、約2µm(蜘蛛の巣の鎖の太さとほぼ同じ)のスケールで規則性を示すと説明している。

結晶を見る
研究チームは、結晶性固体を使用して同じ手順を実行し、非常によく似た結果を得た。その結果、中心にないボイドを持つビームの場合、酸化マグネシウムの試料も有意なラセン二色性を示すことがわかった。

さらに、研究チームはキラル結晶にも着目した。これらの物質は、鏡面対称性を欠いた格子構造をしているため、原理的には左右の円偏光を異なる程度に吸収する。しかし、この二色性からのシグナルは、線状複屈折などの他の結晶特性の影響によって隠されることが多いため、その検出には高度なイメージング技術と大きくて非常に純粋な結晶を使用する必要がある。

Bhardwajのチームは、ベンチトップ実験でヘリカル光(正または負の軌道角運動量を持つ直線偏光を持つ光)を使用することで、この信号を増幅できることを発見した。この信号は、円偏光を用いた固体技術よりも桁違いに強く、スイスのSwissFEL自由電子レーザ(約700m)の硬X線で得られた信号に匹敵するという。

アプリケーションとハードル
研究チームによると、この能力は、特定の種類の触媒作用や分子合成、キラルセンサなど、多くの用途に応用できる可能性がある。アモルファス固体のラセン状二色性を測定することについては、プリントされた有機エレクトロニクスやフレキシブルな有機エレクトロニクスに使用されるポリマの短距離秩序を明らかにするのに役立つ可能性がある。

しかし、まだ克服しなければならない技術的なハードルの1つは、非常に小さな二色性信号を測定する際に、環境の変動が誤差につながる可能性があるという事実に起因している。現在のセットアップでは、左ラセン光の吸光度が右ラセン光の吸光度より先に測定されるという2段階で信号が得られるため、この問題の影響を受けやすくなる。この問題は、ヘリカルライトを急速に変調することで軽減できるとBhardwajは説明している。「このような技術が開発されれば、新たな機会と応用が開かれる」と同氏はコメントしている。