ガラスの「新たな非平衡状態」をレーザー照射により創出―高圧処理とは異なる特異な原子構造と発光特性の解明に成功―

2026-04-27 関西学院大学

京都大学や関西学院大学などの研究チームは、フェムト秒レーザーによる「光加圧」によって、シリカガラスに従来の高圧処理では得られない新たな非平衡状態を創出することに成功した。放射光X線回折と機械学習分子動力学により、レーザー照射部では原子結合の切断と再構成により高仮想温度状態が凍結され、異なるネットワーク構造が形成されることを解明。さらに非架橋酸素欠陥の生成により特異な赤色発光が生じることを確認した。これによりガラスの屈折率や発光特性を局所的に制御可能となり、5次元光メモリや光通信デバイスなどへの応用が期待される。従来の圧縮とは異なる「構造の組み替え」による新しい材料設計指針を示す成果である。

ガラスの「新たな非平衡状態」をレーザー照射により創出―高圧処理とは異なる特異な原子構造と発光特性の解明に成功―
X線構造解析により求めたシリカガラスの中距離構造のサイズ(コヒーレンス長)や秩序 (周期的ゆらぎ)の変化。光加圧により,未処理のガラス構造は高圧処理後の構造に近づくが, 高圧処理後に光加圧すると,構造が元に戻るように変化する。(作成:下間靖彦)

<関連情報>

高圧および超短パルスレーザー励起による高密度シリカガラスの光学的特性制御 Tuning optical properties of densified silica glass via high pressure and ultrafast laser excitation

Misora Tsubone,Yasuhiko Shimotsuma,Yoshio Kono,Sho Kakizawa,Hiroki Yamada,Keita Kobayashi,Masahiro Shimizu & Kiyotaka Miura
NPG Asia Materials  Published:27 April 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41427-026-00649-4

Abstract

Silica glass exhibits diverse structural configurations accompanied by densification under varying temperature and pressure conditions; these factors significantly influence its optical properties, such as the refractive index. However, the fundamental structural mechanisms underlying the optical properties change induced by high-pressure/high-temperature (HPHT) and femtosecond laser direct writing (FLDW) remain incompletely resolved. Herein, we report the similarities and differences in the optical responses of densified silica glass induced by these two methods. The most significant difference is that the laser-irradiated region evolves toward a glass structure characteristic of a high-fictive temperature (1600–2000 K) by incorporating non-bridging oxygen defects associated with edge-sharing SiO4 tetrahedra, which induces distinctly different photoluminescence behaviors compared to high-pressure treatment. Our findings demonstrate the ability to locally tailor the glass structure to exhibit unique optical characteristics, thereby enabling the flexible design of optical communication systems and photoelectric fusion devices.

1701物理及び化学
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