光の「回転」が物質を動かす仕組みを解明~光のスピンと軌道の「回転力」を分けて測れる新理論を構築~

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2025-06-05 北海道大学

北海道大学電子科学研究所の橋谷田俊助教と田中嘉人教授の研究チームは、光が物質に与える「回転の力(光トルク)」の源である角運動量を、「スピン(偏光による自転的な回転)」と「軌道(波面のねじれによる公転的な回転)」の二つに分け、それぞれの損失量を個別に測定・解析できる新たな理論を提案しました。従来の理論では、物質中での光の角運動量の保存則を正確に記述することが困難でしたが、今回の研究では、電場と磁場の時間変化に基づいて角運動量を定義し直し、物質中でも成り立つ保存則を初めて導出しました。この成果は、キラル材料やナノ構造体への応用、光を用いた微細操作技術の基盤となることが期待され、2025年6月4日付で『Physical Review Research』誌に掲載されました。

光の「回転」が物質を動かす仕組みを解明~光のスピンと軌道の「回転力」を分けて測れる新理論を構築~
光のスピン角運動量と軌道角運動量が物質によって失われ、それによって物質が回転する様子

<関連情報>

電磁場の時間微分に基づく角運動量の保存則:光のスピン-軌道変換の解析 Conservation law for angular momentum based on optical field derivatives: Analysis of optical spin-orbit conversion

Shun Hashiyada and Yoshito Y. Tanaka
Physical Review Research  Published: 4 June, 2025
DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.7.L022052

Abstract

We present a theoretical framework for analyzing the loss of optical angular momentum (AM), including spin AM (SAM) and orbital AM (OAM) components, in light-matter interactions. Conventional SAM and OAM conservation laws rely on transverse field components, neglecting longitudinal fields and limiting applicability to a vacuum. Our approach defines optical AM using time derivatives of the electric and magnetic fields, yielding a gauge-invariant formulation that includes both transverse and longitudinal components and explicitly incorporates charge and current densities into SAM and OAM conservation laws. This enables a more complete description of AM dissipation in materials. We apply this framework to analyze spin-orbit conversion (SOC) in two scenarios: the scattering of circularly polarized (CP) Gaussian beams by a gold nanoparticle and focusing of CP Gaussian beams and linearly polarized optical vortex beams by a lens. The results show that SOC depends on particle size and polarization, with notable OAM loss in larger particles and CP Gaussian beam focusing. This framework enables the evaluation of previously overlooked SAM and OAM losses, providing a powerful tool for studying systems in which the analysis of AM losses is intrinsically important, such as chiral materials, as well as for designing photonic devices and exploring light-matter interactions at the nanoscale.

1701物理及び化学
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