一方向からだけ透明になる物質を初めて発見―東大・豊田新悟氏ら

2015年12月25日 20:40

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物質中を互いに逆向きに進む一対の光の模式図。物質は直方体で表されており、黒い矢印の方向に光は進んでいる。青い波と赤い波はそれぞれ電気の波と磁気の波を示す。薄桃色の円筒は、光の強さを定性的に表している。 (a)は通常の物質を逆向きに進む一対の光。 (b)は方向二色性。左向きに進む光の吸収は小さく、右向きに進む光の吸収が大きい。(c) 一方向透明現象。左向きに進む光にとっては透明だが、右向きに進む光は強く吸収されている。(東京大学の発表資料より)

物質中を互いに逆向きに進む一対の光の模式図。物質は直方体で表されており、黒い矢印の方向に光は進んでいる。青い波と赤い波はそれぞれ電気の波と磁気の波を示す。薄桃色の円筒は、光の強さを定性的に表している。 (a)は通常の物質を逆向きに進む一対の光。 (b)は方向二色性。左向きに進む光の吸収は小さく、右向きに進む光の吸収が大きい。(c) 一方向透明現象。左向きに進む光にとっては透明だが、右向きに進む光は強く吸収されている。(東京大学の発表資料より)[写真拡大]

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 東京大学の豊田新悟大学院生らは、メタホウ酸銅という青色の結晶が、ある向きに進む赤外光に対して透明なのに対して、逆向きに進む同じ波長の光に対して不透明であることを発見した。このような一方向透明現象が観測されたのは、あらゆる物質で初めてという。

 通常、物質の中を進むある波長の光は、光の進む向きを反転させても同じ割合だけ吸収される。しかし、近年この一対の光の吸収に差が生じる場合があることが分かってきた。

 今回の研究では、メタホウ酸銅の中を進む光の吸収が、温度、磁場、光の伝搬方向にどのように依存するかを定式化した。その結果、非常に強い磁場のもとでは一方向透明現象が生じてもよいことが理論的に予測された。

 そして、メタホウ酸銅を摂氏マイナス269度に冷却したうえで一瞬だけ強い磁場を作用させて、光の吸収を測定したところ、波長が879ナノメートルの赤外線がメタホウ酸銅の結晶のある方向に進むとき、53テスラ磁場のもとで吸収がなくなることと、光の進行方向を逆転させると同じ879ナノメートルの光を強く吸収することがわかった。

 今後は、本研究成果が、ある側からもう一方側には光が透過するが、逆向きには光が透過しないといった特殊な光学素子として、光通信、光コンピューター、マジックミラーに変わる特殊な窓材などの開発に繋がると期待されている。

 なお、この内容は「Physical Review Letters」に1月1日付で掲載される予定。論文タイトルは、「One-way transparency of light in multiferroic CuB2O4」。

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