Research on solid state physics using orbital angular momentum of light

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K05306
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: Arikawa Takashi 京都大学, 理学研究科, 助教 (70598490)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: テラヘルツ / 光渦 / メタマテリアル / 擬似プラズモン / ホモダイン検波

Outline of Final Research Achievements

Using vortex beams with orbital angular momentum (topological lightwave), we aimed to explore a new type of interaction between light and matter. As a matter system, we focused on solid state materials in which many elementary excitations exist. We have developed necessary measurement techniques for the terahertz frequency region, and have realized high-precision electric field imaging of pulsed terahertz waves and high-sensitivity electric field detection of continuous terahertz waves using homodyne detection. Using these measurement techniques, we have controlled the plasmon mode of metamaterials using the orbital angular momentum of terahertz waves. We were also able to establish measurement techniques to study the interaction between terahertz vortex beams and other material systems such as quantum Hall systems.

Free Research Field

光物性

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

軌道角運動量を持つ光渦と物質の相互作用は未解明な部分が多い。現在最も理解が進んでいるのは、原子の束縛電子との相互作用であり、双極子禁制なS軌道からD軌道への遷移が実験的に確認されている。このような物質の内部自由度への光の軌道角運動量転写は、これまで未開拓な形の光と物質の相互作用である。光に軌道角運動量を持たせることで生まれる新しい相互作用チャネルであると言え、その学術的・技術的価値は非常に大きい。このような相互作用は原子系のみならず、一般的に多くの固体物質系で起こるはずであり、その一端を明らかにした本研究の意義は大きいと言える。