テラヘルツ波で物質の「ねじれ」を“地図”のように可視化 ―次世代材料や次世代通信の開発を支える新分光イメージング技術を確立―

2026-06-03 千葉大学

千葉大学、東北大学、物質・材料研究機構(NIMS)の研究チームは、テラヘルツ(THz)波を用いて物質内部のキラリティ(右ねじれ・左ねじれ)の空間分布を二次元画像として可視化する世界初の分光イメージング技術を開発した。従来のテラヘルツ円二色性(CD)測定では試料全体の平均情報しか得られず、異なるキラリティが混在する構造を識別できなかった。本研究では、銀の微細円盤をわずかに回転させて重ねた「モアレ型メタ表面」を利用し、3~6THzの広帯域で円偏光応答を高精度に計測できる装置を構築した。その結果、一つの試料内に右巻きと左巻きのキラリティ領域が交互に存在する様子を直接観測することに成功した。さらに、個々の微細構造(ミクロ構造)とモアレ模様として現れる巨視的構造(マクロ構造)が相互作用し、テラヘルツ波応答を決定することを理論・実験の両面から解明した。本技術は、タンパク質異常凝集体の診断、6G通信向け光制御デバイス評価、量子材料やソフトマテリアルの構造解析などへの応用が期待される。

テラヘルツ波で物質の「ねじれ」を“地図”のように可視化 ―次世代材料や次世代通信の開発を支える新分光イメージング技術を確立―
図:テラヘルツ円偏光二色性イメージングおよび分光結果
構造の鏡像関係に対応して、右・左のキラリティ応答が反転する様子が観測される。物質内部に分布するキラリティを二次元画像として可視化できることを示している。

<関連情報>

テラヘルツ円偏光二色性分光イメージングにより明らかになったモアレメタサーフェスにおけるマルチスケールキラリティ Multiscale Chirality in Moiré Metasurfaces Revealed by Terahertz Circular Dichroism Spectroscopic Imaging

Uina Chiba,Shota Tsuji,Gaku Oritani,Takumi Yoichi,Rinpei Sasaki,Takeo Minari,Seigo Ohno,and Katsuhiko Miyamoto
ACS Photonics  Published: June 2, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acsphotonics.6c00372

Abstract

Terahertz circular dichroism (THz-CD) spectroscopy provides unique access to low-energy chiral interactions between circularly polarized THz light and multiscale chirality in materials. Yet it has remained unclear whether the THz band can function as a practical, high-fidelity probe that produces visualization of spatial distribution of such interactions. Here, we establish that it can by introducing a frequency-tunable THz-CD spectroscopic imaging platform operating across 3–6 THz with narrow spectral bandwidth, circularly polarized excitation, and two-dimensional readout. Using twisted-layer moiré metasurfaces (TMMSs) as a top-down, reconfigurable model system that allows deterministic design and control of chirality─in contrast to bottom-up chiral media such as biomolecules, whose handedness is constrained by biochemical stability─we spatially resolve chiral responses that elude spatially averaged spectra: the dissymmetry (g-factor) inverts sign between topological singularities within a single planar architecture and reverses with the twist handedness, whereas scale moiré counterparts remain achiral. We formulate complementary indicators for local displacement asymmetry and macroscopic rotational geometry and show that only their combined action reproduces the measured 2D images, thereby providing experimental validation of a multiscale description in the THz regime. Beyond this platform, our results position spatial THz-CD imaging (3–6 THz) as a practical tool for site-specific chiral metrology in metasurfaces, soft-phonon materials, and biomolecular assemblies.

0403電子応用
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