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高エネルギー電子による光渦放射の精密観測に成功分子科学研究所,広島大学,名古屋大学 研究グループ

 分子科学研究所,広島大学,名古屋大学の研究グループは,高エネルギーの電子が光渦と呼ばれる特異な光を放射する現象を精密に観測することに成功したと発表した。
 同グループは,分子科学研究所のシンクロトロン光源UVSOR-IIIを用いて,高エネルギー電子を螺旋運動させ,その放射するシンクロトロン光の性質を精密に観測した。ダブルスリットを用いた回折実験により,倍波の中心に,位相特異点と呼ばれる不思議な構造ができているのを観測することに成功した。また,基本波や倍波を同時に発生してこれらを干渉させることで,振動数の高い倍波ほど波面の渦構造が密になっており,大きな角運動量を運んでいるのを観測することにも成功した。一方,高エネルギー電子が光渦を放射する機構に関して理論的な考察を行い,電子からの放射が電子の進行方向に集中するという相対性理論の効果により,この現象が説明できることを見出した。
 今回の成果は,円軌道放射という自然界で極めて一般的にみられる現象によって光渦が放射されることを示している。光渦は,実験室で人工的に作り出される特殊な光である,というこれまでの常識とは全く正反対に,自然界の様々な場所で普遍的に存在するものであることが明らかになった。今後,光渦が自然界でどのような役割を果たしているのか,研究により明らかにされることが期待される。
 一方,今回の研究で明らかになった光渦放射現象を利用することで,全く新しい光渦発生装置が開発できる可能性がある。これまでの光渦を利用した研究は可視光を中心とする比較的狭い波長範囲で進められてきたが,円軌道を描く電子は,その物理的なパラメーターに応じて,電波からガンマ線まであらゆる波長域の光(電磁波)を出すことができる。この現象を応用することで,光渦があらゆる波長域で利用できるようになり,物質科学などより幅広い領域で新しい研究ツールとなる可能性がある。可視光の光渦は既に顕微鏡の空間分解能の向上に利用されているが,今後の研究により光渦と物質が特異な相互作用をすることがわかれば,分子の構造を観測する新しい手法が開拓されるかもしれない。

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