光で操る「マイクロドローン」でナノ空間の微小な力を全方位計測~6自由度制御により、光の「ねじれ」が生む未知のトルクを初観測~

2026-04-21 北海道大学,科学技術振興機構

北海道大学と科学技術振興機構の研究チームは、光で操作する「マイクロドローン」を用い、ナノ空間で働く微小な力とトルクを三次元的に計測する新技術を開発した。十字型構造体にナノ粒子を組み込んだセンサーをレーザーで捕捉し、位置と姿勢の6自由度を高精度で追跡することで、従来困難だった力学応答の全体把握を実現。さらに、光の「ねじれ(キラリティー)」によって進行方向と垂直に回転を生む新しい力「横方向光トルク」を世界で初めて観測した。これは従来の角運動量由来のトルクとは異なる新原理であり、光と物質の相互作用理解を拡張する成果である。今後はナノマシン制御や生体分子、量子力学的現象の解析などへの応用が期待される。

光で操る「マイクロドローン」でナノ空間の微小な力を全方位計測~6自由度制御により、光の「ねじれ」が生む未知のトルクを初観測~
光の回折限界により調べることが困難であったV字形のナノ構造に働く横向きの回転の力を、光駆動マイクロドローンの動きを手がかりにして観察をするイメージ図。

<関連情報>

ナノ空間で観察された横方向光トルク Transverse optical torque observed at the nanoscale

Ryoma Fukuhara,Tsutomu Shimura & Yoshito Y. Tanaka
Nature Physics  Published:20 April 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-026-03268-6

Abstract

Optical forces and torques acting on resonant nanostructures smaller than the wavelength of light have attracted interest in nanoscience and nanotechnology. However, experimental characterization at the nanoscale remains challenging due to the diffraction limit of light. Here we present an approach for the three-dimensional measurement of nanoscale optical forces and torques. This is achieved through the optical trapping and precision spatial tracking of a designed microscale structure that contains embedded target nanostructures. Our method enables the confinement and measurement of nanostructure positions and orientations across three translational and three rotational degrees of freedom, independent of the size, shape and material of the nanostructure. Using this method, we observe transverse optical torque on plasmon-resonant nanostructures and reveal that this behaviour is governed by the optical helicity rather than the angular momentum of incident light. This versatile platform advances our fundamental understanding of nano-optomechanical interactions and opens up possibilities for precise optical manipulation and nanoactuator design.

1701物理及び化学
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