普通の物体と同じように、光も運動量を持っています。この運動量を光から別の物質へと移すことで、その物質の運動状態を自由にコントロールすることができます。このような手法が、光マニピュレーションです。特に、光を用いて微粒子を捕捉・固定することを光トラッピングと呼びます。私達の研究室では、ナノメートルサイズの微粒子を対象とした光マニピュレーション・光トラッピングを行っています。

例えば、ナノメートルサイズの半導体微粒子（量子ドット）は量子閉じ込め効果により、サイズや形状に依存して、複雑な離散的エネルギー準位構造を持ちます。私達は、光の共鳴的な吸収を通じた光マニピュレーションを行うことで、量子ドットのサイズ選別に成功しています。さらに、光トラッピングを用いた精密な運動制御や、量子力学的性質の選別といった課題にも取り組んでいます。

[1] Phys. Stat. Sol. (c) 6, 217 (2009).
[2] Optics Lett. 40, (6) 906-909 (2015).

一般的な凝縮系物質はMV/cmの内部電場を持っています。この強度に匹敵する電場を物質に印加すると物質中のポテンシャルは外部電場に支配され、全く新しい物性発現が期待できます。しかし一般に電子伝導やイオン・分子振動はピコ秒スケールの緩和時間を持っていることから、電場を印加し続けると熱が発生してしまいます。このことからピコ秒の時間スケールだけ強電場を印加することが非平衡な物質制御には必要です。私達の研究室では実際に、瞬間的な強電場パルスを用いた物質の状態制御の研究に取り組んでいます。

図のような直径数ミクロンの真球形状をした単結晶を作製することに世界で初めて成功しました。単結晶はその原子配列を反映した形状、例えば直方体や六角柱などの形をとるのが普通で、光学顕微鏡で見ることのできるミクロンサイズで真球の形状をした単結晶を作ることができるのは大きな驚きです。

きれいな原子配列がもたらす高い性能と最も対称性の高い形状である球が示す特長を兼ね備えた真球単結晶には、従来材料を超える新たな機能が期待されます。例えば、ミクロンサイズの微小球は光を内部に閉じ込める性能が高く、非常に性能の高い光共振器や効率の良い超小型レーザーを実現できます。また、光科学に留まらず多方面への応用も考えられます。 この実験は超流動ヘリウムという極低温かつ粘性が無視できるほど小さい特殊な流体の中でレーザーアブレーションと呼ばれる高強度レーザーで物質表面を破壊・融解する方法で行われました。 （本内容は大阪大学ナノサイエンスデザイン教育研究センター市川 聡特任准教授および大阪府立大学飯田琢也准教授、石原 一教授との共同研究によるものです。）

※ 「世界初！ミクロンサイズの真球単結晶を作製」 2014年6月5日
※ 「まん丸結晶できた　レーザーで偶然の産物　大阪大などのチーム」 2014年7月28日
[1] Proc. of SPIE, 8263 82630K1-7 (2012).
[2] Sci. Rep. 4, 5186 (2014)

私達の研究室では、テラヘルツ周波数帯（一般的に0.1-10 THz）における物質の性質とその電磁波技術について研究をしています（図）。テラヘルツ波は、可視光では不透明な紙、布、プラスチックなどを透過し生体に与える悪影響がX線に比べて小さいことから、空港などのセキュリティーチェックなどに応用されています。またこの周波数帯域には分子の回転スペクトル、巨大分子の振動モード、強誘電体等のソフトモード、超伝導ギャップ、半導体中の励起子の束縛エネルギーなど数々の協同的な励起モードが存在します。したがってこの周波数帯の応答を調べることで物性発現の起源に迫ることができます。

物性研究のツールとして特に、テラヘルツ光源の超広帯域化・高強度化・高効率化に取り組んでいます。最近では1 THzから150 THz（中赤外領域）にわたる周波数の光の波形をオシロスコープのように表示させる技術を開拓し、またパルスの波形や偏光を簡便な素子を用いて自在に制御する手法（※）を開発しています。

※「世界発！金属板だけで光の偏光を自在に制御 」 2013年12月26日
[1] J. Opt. Soc. Am. B, 30, 1627-1630 (2013).
[2] Optics Express 20, 6509 (2012).

ナノスケールの物質中では、励起子（電子と正孔の結合した粒子）の波動関数が閉じ込めらるため、エネルギー準位が離散化されるなど興味深い性質が見られることが知られています（量子閉じ込め効果、量子井戸）。私達の研究室では、高品質薄膜を独自に作製することで、この効果をより大きなスケール（サブ μmレベル）まで拡張することに成功しました。

このような系では、光の波と励起子の波動関数が完全に重なる状態が実現できるため、光と物質の相互作用を極限的に強めることができます。その結果、100 fs（1000兆分の1秒）オーダーの超高速・超高効率な光学応答（下図）を得ることに成功しました。

※ 「Ｉ-ＶＩＩ族半導体薄膜の超高品質化で光応答速度を３桁向上」 2009年12月10日
[1] Phys. Rev. Lett. 103, 257401 (2009).
[2] Phys. Rev. B, 86, 235449 (2012).

1986年の銅酸化物高温超伝導体の発見以来、高温超伝導を説明し、さらには室温の超伝導を実現するべく幾多の理論的・実験的研究がなされています。また、高温超伝導現象だけでなく様々な興味深い現象の多くが、強相関電子系と呼ばれる物質群において発見されています。

この強相関電子系においては、電荷・スピン・格子を含むいくつもの自由度が互いに影響を及ぼし合っているため、特徴的なエネルギースケールはmeVからeVまで広がっています。このような系の物性を調べる手段自体も幅広いエネルギースケールを備えている必要があります。光はまさに幅広いエネルギースケールをもつ強力な道具です。特に私達の研究室では超広帯域テラヘルツ光源を武器に、強相関電子系の物性探索に取り組んでいます。

[1] Appl. Phys. Lett. 105, 023502 (2014).
[2] テラヘルツテクノロジーフォーラム通信　Vol.13 No.1.