光渦でキラリティを見分ける仕組みを世界で初めて解明~光がゼロの”渦の中心”で現れる左右差の起源を突き止める~

2026-02-20 北海道大学

北海道大学電子科学研究所の田中嘉人教授、橋谷田俊助教らは、渦状に進む光「光渦」を用いたキラリティ識別の物理起源を世界で初めて解明した。光渦の高速切り替え技術と理論解析を組み合わせ、キラルなナノ構造との位置関係を精密制御して透過光の左右差を測定。その結果、光強度がゼロとなる渦中心付近で最も顕著な左右差が現れることを発見した。この差は、光の軌道角運動量と物質内部のねじれ構造が多重極子相互作用を通じて結合することで生じると判明。光渦によるキラリティ検出原理を明確化し、分子集合体など高次構造の非接触解析法への展開が期待される。成果はOpticaに掲載された。

光渦でキラリティを見分ける仕組みを世界で初めて解明~光がゼロの”渦の中心”で現れる左右差の起源を突き止める~
光渦が持つ空間的なねじれと物質の立体的なねじれが結びつくことで、暗い中心付近にキラリティ由来の左右差が現れる原理を示した概念図。

<関連情報>

多重極子のキラリティとの相互作用により顕在化した光の軌道角運動量に基づくキラリティ Unveiling orbital optical chirality through multipolar chiral light–matter interaction

Shun Hashiyada, An’an Wu, and Yoshito Y. Tanaka
Optica  Published: February 17, 2026
DOI:https://doi.org/10.1364/OPTICA.584008

Abstract

Chiral light–matter interactions are central to optical spectroscopy and nanophotonics, yet they are conventionally understood as arising from electric–magnetic dipolar interference driven by light with spin angular momentum. Here, we show that optical chirality can also originate from the orbital angular momentum (OAM) of light, enabling chiral responses mediated by higher-order multipolar interactions. Using a single twisted gold nanorod dimer as a minimal chiral platform, we perform spatially and spectrally resolved measurements of chiral dichroism under tightly focused circularly polarized optical vortex beams carrying spin and orbital angular momenta of the same sign. We observe qualitatively distinct chiral responses at the vortex center and in the annular region of the beam. In particular, OAM-sign-dependent quadrupolar resonances emerge at the beam center, where conventional spin-induced optical chirality vanishes. Reciprocity tests and angular momentum dissipation analysis confirm that this response is a genuine chiral interaction dominated by orbital, rather than spin, angular momentum. These results establish the existence of a distinct form of optical chirality, referred to as orbital optical chirality, and open opportunities for probing multipolar chiral light–matter interactions beyond the dipolar paradigm.

1701物理及び化学
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