テラヘルツ波で「光スキルミオン」の生成と制御に成功―次世代情報通信・物性計測への応用に期待―

                                      

　千葉大学大学院融合理工学府博士前期課程の三上 修作氏、伊東 莉那氏（研究当時）、同大大学院工学研究院の宮本 克彦教授らの研究グループは、テラヘルツ（THz）波（注１）を用いて、トポロジカル（注２）な偏光構造をもつ特殊な光状態「光スキルミオン（注３）」の生成と制御に成功しました。光スキルミオンはテラヘルツ波による位相と偏光（光の振動方向）の精密な制御が難しく、その実現は大きな課題となっていました。研究グループは、二つのテラヘルツ波を干渉させる独自の光学システムを開発し、異なる種類の光スキルミオンを自在に切り替えられることを実証しました。さらに、位相制御によって光スキルミオンの偏光構造が回転する様子を観測し、そのトポロジーを定量的に評価しました。本成果は、次世代情報通信やスピントロニクスなどへの応用が期待されるテラヘルツフォトニクスの新たな展開につながるものです。

　本研究成果は、2026年７月28日に、学術誌 APL Photonics に掲載されました。
　（論文はこちら：10.1063/5.0337349）

図：干渉システムを用いたテラヘルツ波での光スキルミオン発生

■研究の背景

　近年、光の強度や位相だけでなく、偏光まで自在に制御する「構造化光」の研究が世界的に進んでいます。その中でも、「光スキルミオン」は、磁性体中のスキルミオンと類似したトポロジカル構造を持つことから、情報通信や光と物質の新しい相互作用を実現する光として注目されています。

　一方、テラヘルツ波は、電波と光の中間に位置する周波数帯であり、次世代無線通信やスピントロニクスへの応用が期待されています。しかし、光スキルミオンの生成には、位相や偏光などを同時かつ高精度に制御する必要があり、利用できる光学素子が限られるテラヘルツ波領域での実現が課題となっていました。

■研究成果のポイント

　独自に開発した周波数可変テラヘルツ光源と二光路干渉システムを用いて、通常のガウシアンビームと、「光渦」と呼ばれるらせん状の波面を持つ光を重ね合わせることで、異なるトポロジーを持つNéel型およびAnti型の光スキルミオンを生成しました。

　また、生成した光スキルミオンについて、光の偏光状態の詳細な解析と、トポロジーを表す「スキルミオン数」にて定量評価を行った結果、テラヘルツ波において安定したスキルミオン構造が形成されていることを確認しました。さらに、二つの光の位相差を変化させることで、光スキルミオンの偏光構造が回転する様子を観測することにも成功しました。これにより、光スキルミオンの生成だけでなく、その動的な制御が可能であることを実証しました。

■今後の展望（研究者コメント）

　今回実証した光スキルミオンは、光の位相、偏光、軌道角運動量(注４）といった複数の自由度を同時に利用できるため、将来的には大容量な情報通信や高感度なセンシング技術への応用が期待されます。また、テラヘルツ波は磁性体や分子振動と強く相互作用することが知られており、これまでにない光と物質の相互作用の解明や、新しいスピントロニクス・分光技術の創出につながる可能性があります。

 

■用語解説

注1）テラヘルツ（THz）波：電波と光（赤外線）の中間に位置する電磁波。周波数は約0.1～10 THzで、物質を透過しやすい性質を持つことから、非破壊検査や次世代無線通信、医療・バイオ計測などへの応用が期待されている。

注２）トポロジカル：図形や構造が、連続的な変形では変わらない性質のこと。この性質を数学的概念で「トポロジー」と呼ぶ。ドーナツとマグカップは「穴が１つある」という構造で同じトポロジーを持つ例がよく知られている。光スキルミオンでは、光の偏光構造が持つ「ねじれ具合」や「巻き付き方」を表すために用いられる。

注３）光スキルミオン：光の振動方向（偏光）が空間内で渦状に分布し、トポロジカルな構造を形成した特殊な光の状態。磁性体中に現れるスキルミオンと類似した数学的構造を持ち、光通信や光と物質の新しい相互作用を実現する光として注目されている。

注４）軌道角運動量：光が持つ角運動量の一種で、光の波面がらせん状にねじれた「光渦」によって生じる性質。光のねじれの向きや大きさを表すことができ、情報を運ぶ新たな自由度として次世代光通信などへの応用が期待されている。

■論文情報

タイトル：Generation of terahertz optical skyrmion by interference system.

著者：Shusaku Mikami, Rina Ito, Yuto Yoneda, Kaito Sato, Aoi Yamashita, Rihito Tamura, Wataru Senzaki, Katsuhiko Miyamoto

雑誌名：APL Photonics

DOI：10.1063/5.0337349

■研究プロジェクトについて

本研究は、以下の支援によって実施されました。

・日本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業（JP23K23248，JP24KK0108，JP22K18979，JP23K04567）

・JST FOREST Program JPMJFR2036　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　など