EPFL、新しい技術が偏光のあらゆるねじれを捉える

July, 10, 2025, Lausanne--EPFLの科学者たちは、研究者が材料が時間の経過とともに偏光を放出する方法をこれまでにない感度で観察できる新しい技術を開発した。

光は、単に明るいか暗いか、色がついか無地かだけではありません。その波は、偏光と呼ばれる現象でねじれたり回転したりすることもある。3D映画でメガネをかけると、光の偏光を使用して各目がわずかに異なる画像を見るようになり、奥行きの錯覚を作り出す。

偏光は、量子コンピュータから安全な通信やホログラフィックディスプレイまで、将来のテクノロジーの鍵となる。多くの物質は、光の波の向きを利用してメッセージを発信しているかのように、偏光で情報を符号化する方法で光を放出している。これらの現象の中には、円偏光ルミネッセンス(CPL)と呼ばれる形式があり、光波が左または右に渦巻くキラル材料によって生成される特殊なタイプの発光である。

従来技術の限界を乗り越える
新しいアプリケーションを解き放つために、研究者はこの偏光が時間の経過とともにどのように進化するかを正確に観察する必要がある。しかし、これまでのところ、既存の方法では速度、感度、または幅広い色のトレードオフを強いられるため、科学者は妥協せざるを得なかった。

標準的なCPL技術は、特に一瞬または微妙な偏光効果を持つ先端材料を研究する場合、低速、焦点が狭くなる、または微弱な信号を拾うことができないことがよくある。これらの制限により、キラル(利き手)材料が光とどのように相互作用するかを完全に理解するための探求が遅くなっている。

今回、EPFLのエネルギー材料研究所のSascha Feldmann教授が率いるチームは、偏光状態の完全なセット(いわゆる「ストークスベクトル」Stokes vector)を捉える高感度、広帯域、時間分解分光法を開発した。

この新しい技術は、広いスペクトルウィンドウ(400〜900nm)にわたって、わずかナノ秒(ns)から数ミリ秒の範囲の時間間隔でこれを行い、材料から放出される偏光の強度の1万分の1という低いノイズフロアを備えている。また、この新しい手法では、直線偏波信号と円偏波信号を同時に捕捉できるため、他の方法ではつまずくことが多い偏光アーチファクトを特定して補正するのに役立つ。

最先端の装置
チームは、この装置を簡単な既製のコンポーネントで設計し、広く採用できるようにし、完全な光学回路図と「非自明」なエラーソースの概要を共有して、この分野を他の人に開放している。

研究アチームは、電子ゲートカメラと慎重に設計された偏光光学系のセットを使用して、ストークスベクトル全体をリアルタイムで記録し、強い偏光ルミネッセンスと弱い偏光ルミネッセンスの両方を特徴とする様々なタイプの分子からの発光の変化を追跡した。完全な偏光フィンガープリントを記録することにより、新しいセットアップは他のアプローチでは見逃される詳細を明らかにすることができる。

この新しいアプローチは、これまで詳細に追跡されたことのない材料の偏光変化を捉えることに成功した。この研究は、よく研究された分子のベンチマーク結果を再現し、有機エミッタや複雑なシステムにおいて、光の放出が速い時間と遅い時間スケールの両方で発生する、これまで見られなかったダイナミクスを明らかにした。

また、この手法では、従来の測定では実際の効果と混同されがちな偽の信号である微妙な偏光アーチファクトが明らかになったため、研究者は一般的な落とし穴を回避することができた。

高感度、広いスペクトルカバレッジ、ナノ秒の時間分解能の組み合わせにより、この技術は、励起状態の偏光ダイナミクスと対称性の破れの領域への前例のない窓を開く。科学者はこれらのプロセスをリアルタイムで観察できるようになり、キラルエミッタ、量子材料、および高度なオプトエレクトロニクスデバイスの設計と開発が加速する。

また、チームは、この分野の一般化と世界中の発見のスピードアップを支援するために、設計図と自動化アルゴリズムを公開した。