Observation of transition radiation carrying orbital angular momentum

Research Project

Project/Area Number	21K12531
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 80040:Quantum beam science-related
Research Institution	Saga Industrial Promotion Organization
Principal Investigator	高林雄一公益財団法人佐賀県産業振興機構(佐賀県産業イノベーションセンター産業振興部研究開発振興課、九州シンク, 加速器グループ, 副主任研究員 (50450953)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	隅谷和嗣公益財団法人高輝度光科学研究センター, 回折・散乱推進室, 研究員 (10416381) 馬込栄輔公益財団法人佐賀県産業振興機構(佐賀県産業イノベーションセンター産業振興部研究開発振興課、九州シンク, ビームライングループ, 副主任研究員 (40408696)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000) Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000) Fiscal Year 2022: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000) Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Keywords	遷移放射 / 軌道角運動量 / テラヘルツ
Outline of Research at the Start	1990年代から，可視レーザーを用いて軌道角運動量を運ぶ光に関する研究が行われてきたが，近年，円偏光アンジュレータ，レーザーコンプトン散乱，チャネリング放射等，高エネルギーの電子ビームを利用して，軌道角運動量を運ぶ光を生成する研究も行われるようになってきている．また，最近，電子ビームを薄膜に入射させた際に生成される遷移放射が軌道角運動量を運ぶことが理論的に示されたが，本研究では，その理論の検証を目的とする．実験は，九州シンクロトロン光研究センターのリニアックからの255 MeV電子ビームを利用して行い，Si結晶等から生成されるテラヘルツ領域の遷移放射を検出し，その軌道角運動量の測定を行う．
Outline of Annual Research Achievements	1992年に，螺旋状の波面を持つ電磁波が軌道角運動量を運ぶことが理論的に示されて以来，可視域のレーザーを用いて軌道角運動量を運ぶ光の研究が精力的に進められてきた．これらの研究では螺旋位相板を始め特殊な光学素子を用いて軌道角運動量を運ぶ光の生成が行われている．その後，テラヘルツからX線まで幅広い波長領域に研究が広がっている．その光のユニークな性質に着目し，イメージング分野，情報通信分野等，応用研究も多岐に渡り行われている．また，近年，相対論的電子ビームを利用した研究も行われるようになっており，円偏光アンジュレータ，円偏光レーザーとのコンプトン散乱，チャネリングを利用する方法など，様々な手法が提案されている．一方，ビームサイズが光の波長よりも十分小さい場合に，遷移放射も軌道角運動量を運ぶことが理論的に示された．円偏光アンジュレータのように，螺旋運動をする電子から軌道角運動量を運ぶ光が生成されることは知られているが，螺旋運動をしない電子からそれらの光が生成されるのは興味深い現象である．また，本手法は，電子を薄膜に入射させるだけで生成可能であり，他の手法と比べて生成方法がシンプルである点に特色がある．そこで，本研究では軌道角運動量を運ぶ遷移放射の初観測を目的とする．実験は九州シンクロトロン光研究センターの255 MeVリニアックからの電子ビームを利用して行った．標的として，厚さ0.3 mmのSiウェハーを用いた．典型的な電子ビームの大きさは0.1 mmから1 mm程度であり，上述した条件を満たす光の波長はテラヘルツ波の領域に相当する．本研究では，テラヘルツ検出器として焦電タイプのものを採用した．すでに，テラヘルツ遷移放射の検出と角度分布の測定に成功している．今後，3角形状アパーチャーによる回折パターンを測定することにより，遷移放射の軌道角運動量の検出を行う予定である．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本年度は主に，実験装置の立ち上げ，電子ビームの調整，そして，テラヘルツ遷移放射の観測実験を行った． (1)実験に使用するバンドパスフィルター，偏光板，1/4波長板の位置や角度を調整するホルダー類を作製した．それらを光学定盤の上に設置し,アライメントを行った． (2)テラヘルツ検出器からのアナログ信号をデジタル化し，パソコンで取得するシステムを構築した．また，検出器を3次元ステージ上に載せ，検出器の位置を自動でスキャンし，遷移放射の角度分布を測定するシステムを開発した． (3)テラヘルツ遷移放射の生成に向けて，九州シンクロトロン光研究センターの電子リニアックの加速器パラメータ（加速管の位相，4極電磁石の磁場等）の最適化を注意深く行った． (4)テラヘルツ遷移放射の検出に成功した．さらに，その角度分布の測定にも成功した．現時点で，遷移放射の軌道角運動量の検出までには至っていないが，すでに遷移放射の角度分布の測定に成功しており，おおむね順調に進展しているといえる．
Strategy for Future Research Activity	上述したように，すでにテラヘルツ遷移放射の検出，および，その角度分布の測定まで成功している．今後は，検出器の上流側に，3角形状アパーチャーを設置し，そのアパーチャーによる遷移放射の回折パターンを測定することにより，遷移放射の軌道角運動量の検出を行う予定である．