研究成果

有馬孝尚（東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻　教授）
松田康弘（東京大学物性研究所　准教授）
豊田新悟（東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻博士後期課程２年）

◆メタホウ酸銅（注１）という物質が、ある方向に進む赤外光に対して透明なのに対して、逆方向に進む同じ波長の光に対して不透明であるという現象を発見した。
◆これまで、いかなる物質でも、このような一方向透明現象が観測された例はなかった。
◆今回発見された一方向透明現象は低温強磁場下での現象であるが、今後、室温で実現すれば、光学素子への応用が期待される。

　東京大学大学院新領域創成科学研究科の豊田新悟大学院生らは、東京大学物性研究所、東北大学金属材料研究所と共同で、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ました。
　通常、ある波長をもった光が物質中のある向きに透過できれば、逆向きにも透過することができます。より一般的には、一つの物質中を互いに逆向きに進む同じ波長の一対の光は同じ割合だけ吸収されます。しかし、近年、この一対の光の吸収に差が生じる場合が見いだされました。これを方向二色性と呼びます。これまで発見された中ではメタホウ酸銅の方向二色性が最も大きく、一対の光の吸収の強さの比が最大で3倍でした。これを無限大にしたものが一方向透明現象です（図）。本研究グループは、強い磁場のもとで一方向透明現象が生じることを理論的に予測し、東京大学物性研究所附属国際超強磁場科学研究施設との共同研究の結果、観測に成功しました。
　本研究成果により発見した一方向透明現象は、低温強磁場下という極端な条件下で生じることから、このまま応用にはつながりません。しかし、今後の研究の進展によって、光を一方向だけに透過させるマジックフィルターなどの光学素子を可能にする技術となることが期待されます。

　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ます。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ました。これを方向二色性と呼びます。これまで発見された最大の方向二色性はメタホウ酸銅中のものであり、一対の光の吸収の強さの比は最大で3倍でした。この値が無限大となれば、一方向に進む光にとっては透明なのに、逆向きに進む光にとっては吸収体となる場合が実現することを意味します。
　本研究グループは、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ました。東北大学金属材料研究所附属強磁場超伝導材料研究センターにおいて、磁場を与えることによる光吸収の変化を実測し、物質パラメータを決定しました。その上で、光が電気と磁気の波であることを考慮して、電気が原因となる光の吸収と磁気が原因となる光の吸収が足し合わせられたり打ち消しあったりする効果に目を向けました。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ました。ただし、一方向透明現象を可能にすると期待される磁場の値は50テスラ（注２）を超えており、通常の方法では作ることができません。そこで、東京大学物性研究所附属国際超強磁場科学研究施設の松田康弘准教授らと共同研究を行い、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、光の吸収を測定しました。その結果、波長が879ナノメートル（注３）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を発見しました。一方で、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りました。すなわち、光の一方向透明現象が実現できたことを意味します。
　本研究により発見された一方向透明現象は、低温強磁場下という極端な条件下で生じることから、このまま応用にはつながりません。しかし、一方向透明現象の原理が明らかになったことで、今後の研究の進展によって、より使いやすい条件での一方向透明現象の実現が期待されます。一方向透明現象は、その物質で作ったフィルターで区切られた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への応用が期待されます。

雑誌名：Physical Review Letters誌　（12月31日発行）
論文タイトル：One-way transparency of light in multiferroic CuB₂O₄
著者：S. Toyoda*, N. Abe, S. Kimura, Y. H. Matsuda, T. Nomura, A. Ikeda, S. Takeyama, and T. Arima
DOI番号：10.1103/PhysRevLett.115.267207
アブストラクトURL：http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.267207
 

東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻
教授　有馬孝尚
電話番号：04-7136-3805
E-mail：arima@k.u-tokyo.ac.jp
東京大学大学院新領域創成科学研究科物質系専攻
大学院生　豊田新悟
電話番号：04-7136-3769
E-mail：toyoda@cor.k.u-tokyo.ac.jp

（注１）メタホウ酸銅：CuB₂O₄という組成式で表される銅、ホウ素、酸素からなる化合物で、摂氏マイナス２５２度以下では弱い磁石になる。

（注２）テスラ：国際単位系での磁束密度の単位であり、磁場の強さを表す。１テスラが１万ガウスに等しい。最も強い市販の永久磁石(ネオジム磁石)の表面での強さは約0.5テスラ、ピップエレキバンは0.08から0.19テスラ、日本での地磁気の強さは約0.00005テスラである。

（注３）ナノメートル：１ミクロンの千分の一の長さを表す単位。可視光線の波長は、およそ、400ナノメートルから700ナノメートルである。