量子光物性研究部
近年、フォトニック結晶を用いることによって、超小型でかつ非常に高いQ値を併せ持つ光共振器が実現している[1]。このような光共振器では様々な光物質相互作用が増強されることが予想されているが、今回我々はある特殊な形状をしたフォトニック結晶超小型高Q共振器を用いることによって、光学エネルギーを非常に高効率に力学エネルギーに断熱的に変換できることを理論的に見出した[2]。この結果、非常に微弱な光によって物体を動かすことが可能になり、光による超高効率なマイクロマシン実現の可能性が示唆されている。
試料構造（図１）は我々が近年研究している超高Qフォトニック結晶共振器構造[1]を中央で分割して二層に分けた構造となっている。この共振器の特徴は、層間距離を変えると共振器Q値が高い値に保たれたまま共振周波数が非常に大きく変化する点にある。この性質のために、系が断熱条件を満たしているとすると（このとき電磁場エネルギーは共振周波数に比例）、共振器に蓄えられた光は巨大な輻射力（エネルギーの空間微分で与えられる）を発生する（１ｐJ当たり約1µ
N）。さらにこの共振器が長い光子寿命を持つため、この輻射力は大きな力学的仕事をすることになる。共振器中の光パルスが持つ光エネルギーが光子寿命内にどれだけ力学エネルギーに変換するかを求めると、図２のような結果になった。一般にこのような光→力学エネルギー変換は（相対論的速度を持った光子ロケットのような例を除いて）光子が質量を持たないために非常に小さい（１兆分の１程度）。しかし、この共振器ではエネルギー変換効率は最大１０％程度にも達しうることが分かる。このような超高効率のエネルギー変換は、超小型超高Q光共振器特有の現象である。
実はここで用いている光→力学エネルギー変換では、光エネルギーの減少分だけ光の周波数が低くなっている。つまりこの過程を逆に用いると、力学運動により光の波長変換が可能となる。計算によれば中心波長の20%以上という非常に大きな波長変換が可能であることが分かった。昨年、我々は超小型共振器の共振周波数を光子寿命内に動的に変化させることによって、断熱的に波長変換が可能であることを見出したが[3]、ここで用いている過程は実は同じ物理機構に基づいている。つまり非常に高効率な光マイクロマシンは、非常に高効率なオプトメカニカル波長変換素子として働くのである。
[1] E. Kuramochi, et al., Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 041112.
[2] M. Notomi, et al., Phys. Rev. Lett. 97 (2006) 023903.
[3] M. Notomi, et al., Phys. Rev. A73
(2006) 051803(R).
 |
 |
| 図１ 二層構造フォトニック結晶共振器 | 図２ 光力学エネルギー変換効率 |