光の新しい構造”光学ロタタム”を発見(Light that spirals like a nautilus shell)

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2025-04-11 ハーバード大学

ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学・応用科学部(SEAS)の研究チームは、新たな光の構造「オプティカル・ロタタム(optical rotatum)」を開発しました。この光ビームは、従来の光渦(optical vortex)とは異なり、伝播中にトルクが変化し、オウムガイの殻やヒマワリの種配置など自然界に見られる対数螺旋と同様のパターンを描きます。この成果は、微小粒子の操作や光ピンセット技術の精密化に応用できる可能性があり、従来の高出力レーザーを用いた方法よりも簡易な液晶ディスプレイと低出力ビームで実現された点が特筆されます。研究はカパッソ教授の研究室で行われ、論文は『Science Advances』に掲載されました。

<関連情報>

光の回転体 Rotatum of light

Ahmed H. Dorrah, Alfonso Palmieri, Lisa Li, and Federico Capasso
Science  Published:11 Apr 2025
DOI:https://doi.org/10.1126/sciadv.adr9092

光の新しい構造”光学ロタタム”を発見(Light that spirals like a nautilus shell)

Abstract

Vortices are ubiquitous in nature and can be observed in fluids, condensed matter, and even in the formation of galaxies. Light, too, can evolve like a vortex. Optical vortex beams are exploited in light-matter interaction, free space communications, and imaging. Here, we introduce optical rotatum, a behavior of light in which an optical vortex beam experiences a quadratic chirp in its orbital angular momentum along the optical path. We show that such an adiabatic deformation of topology is associated with the accumulation of a Gouy phase factor, which, in turn, perturbs the propagation constant (spatial frequency) of the beam. The spatial structure of optical rotatum follows a logarithmic spiral—a signature that is commonly seen in the pattern formation of seashells and galaxies. Our work expands the previous literature on structured light, offers new modalities for light-matter interaction, communications, and sensing, and hints at analogous effects in condensed matter physics and Bose-Einstein condensates.

1700応用理学一般
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