由廣島大學研究生院先進理工系科學研究科的和田真一副教授和太田寬之（畢業生）、該大學放射光科學研究中心加藤政博特任教授、名古屋大學全學技術中心、名古屋大學同步加速器光研究中心組成的聯合研究團隊發表研究成果稱，利用分子科學研究所極紫外光研究設施的同步輻射光源UVSORⅢ透過楊氏雙狹縫干涉實驗證明，由高能電子自發發射的光學漩渦，爲按照螺旋狀傳播的特殊光，而且構成光學漩渦的每個光粒子（光量子）也具有漩渦特性。相關成果已刊登在國際學術雜誌《Scientific Reports》12月27日號上。
圖1.實驗概略圖。在被稱爲螺旋波蕩器的磁體陣列中使高速電子螺旋運動產生光學漩渦，並用攝影機拍攝透過雙縫發生干擾的結果。結果驗證了每個光量子都具有漩渦特性。（供圖：廣島大學）
當光波在三維空間中傳播時，波紋按照被稱爲波面的面擴展傳播，由於這個波面是球體的表面，因此稱爲球面波。在波源很遠時，球面波可以用平面來近似，因此也被稱爲平面波。此外，已知還存在不同於上述波形、呈現螺旋波面的特殊光（光學漩渦）。1992年，光學漩渦的存在在理論上被證明，此後透過實驗也可產生光學漩渦。
此次，研究團隊重點研究了透過螺旋波蕩器（同步輻射發生裝置）時高速螺旋運動的電子產生的光。螺旋波蕩器使電子的蜿蜒運動在水平和垂直度方向的基礎上，進行螺旋運動而布置磁體陣列，從而可以使電子進行螺旋運動。從該電子發射的光包含電子的螺旋運動被轉爲光學漩渦的光成分。
爲了研究單個電子運動產生的每個光量子是否也具有漩渦特性，研究團隊進行了楊氏雙狹縫干涉實驗。該實驗是英國物理可用能學家託馬斯·楊示範光的波動性的實驗，透過將相同波的光同時照射於2個狹窄的縫隙，因光的干擾會產生光的明暗條紋。
在透過波蕩器的電子產生的同步輻射中，使用波長濾波器透過波長選擇僅提取具有光學漩渦特性的成分，並且進一步使用中性密度濾波器製造光量子可一一透過雙狹縫的條件，並用高速相機拍攝干擾的程序。
在整合單個拍攝影像的程序中，可以應答到干涉光柵的形成。此外還發現中心出現了光量子漩渦特有的暗淡且彎曲的條紋圖案。
上述結果表明，螺旋運動的高能電子發射出的每個光量子在本質上都具有螺旋波面的特性。
和田副教授表示：「光對我們來說是非常熟悉的事物，對它的研究也由來已久。然而，隨着科學技術的進步，即使在今天，光的新性質仍在不斷被發現。去年年末獲得諾貝爾物理可用能學獎而成爲熱門話題的阿秒脈衝光就是一個例子。而本次的‘光學渦流’也是相對最近才被製造出來。這種被稱爲‘光學渦流’的稀有光具有怎樣的利用價值，以及能爲人類帶來怎樣的效益，目前正在進行各種研究。我們對光學渦流的未來充滿期待」。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Scientific Reports, 13, 22962 (2023)
論文：Young’s double-slit experiment with undulator vortex radiation in the photon-counting regime
DOI：https://doi.org/10.1038/s41598-023-49825-4
