別紙４「光の創成・操作と展開」研究領域 領域活動・評価報告書－平成２１年度終了研究課題－
研究総括 伊藤 弘昌
１． 研究領域の概要
本研究領域は、光の本質の理解、光に関わる新しい現象・物性の解明、光の制御や光による物質の制御に関する新しい概念・手法の探求などに関して研究を進めるもので、将来もたらされると期待される新パラダイムを見据え、個人の独創的な発想に基づいたこれまでにない研究を対象とするものである。
具体的には、赤外、可視、紫外のみならず広範な領域を対象とした、光の発生・伝搬・検知の手法・技術に関する研究、それらに対応する素子等の研究、光と物質の局所的相互作用に関する研究、光による原子・分子の制御手法の研究、光の波長・振動数、位相、エネルギー密度計
測手法などの光の本質の理解に関する研究、などがあげられる。これらの研究によって、新たな原理の発見、方法論の創出が成され、革新的な技術展開の契機となることが期待される研究を対象とする。
２． 研究課題・研究者名別紙一覧表参照
３． 選考方針
選考の基本的な考えは下記の通り。
１） 選考は「光の創成・操作と展開」領域に設けた選考委員１５名と研究総括で行う。
２） 選考方法は、書類選考、面接選考及び総合選考とする。
３） 選考の基本的な考え方は、研究課題が戦略目標「光の究極的及び局所的制御とその応用」に合致した新しい概念・手法の探求などに関して研究を進めるもので、これらの研究によって、新たな原理の発見、方法論の創出が成され、革新的な技術展開の契機となることが期待される研究を対象とした。また、将来もたらされると期待される新パラダイムを見据え、個人の独創的な発想に基づいたこれまでにない研究であることも重視した。

４． 選考の経緯
一応募課題につき領域アドバイザー４名が書類審査し、書類選考会議において面接選考の対象者を選考した。続いて、面接選考および総合選考により、採用候補者を選定した。
選 考

書類選考

面接選考

採用者

対象者数

39 名

12 名

6名

５． 研究実施期間
平成 18 年 10 月～平成 22 年 3 月
６． 領域の活動状況（平成２１年度終了研究課題研究者（第 2 期生）の活動を中心に記載）
１）領域会議：6 回＜主な内容＞
平成 19 年春 第 2 期生さきがけ研究内容紹介・進捗発表153平成 20 年秋 第 2 期生「中間まとめと今後の展開」討議
平成 21 年秋 第 2 期生「研究終了評価と今後の展開」討議
２）光関連研究施設見学会：6 回・・・領域会議に併設して、会議会場近隣の研究施設を視察
平成 19 年 春 九州大学（伊都キャンパス工学部）
秋 北陸先端科学技術大学院大学
平成 20 年 春 京都大学（桂キャンパス）秋 ①東京大学宇宙線研究所神岡宇宙素粒子研究施設（スーパーカミオカンデ他）②東北大学大学院理学研究科附属ニュートリノ科学研究センター（カムランド）平成 21 年 春 北海道大学（電子科学研究所、工学部）
秋 ①浜松ホトニクス中央研究所②光産業創成大学院大学
３）領域交流・・・光関連研究領域双方の研究総括の申し入れで研究者の交流を行っている。
①CREST「光の究極的及び局所的制御とその応用」研究領域との交流
CREST 研究発表会への有志参加：2 回（計 12 名）②さきがけ「物質と光作用」研究領域との領域交流：5 回（計 10 名）
当領域から「物質と光作用」領域会議への有志参加「物質と光作用」研究領域から当領域会議への有志参加 ：4 回（計 10 名）
４）研究総括（または技術参事／事務参事）の研究実施場所訪問：76 回
研究開始時に研究現場を訪問し、研究環境、設備等の確認及び研究費、研究の進め方のヒアリングを行った。併せて、組織責任者への協力依頼を行った。特に、外国研究機関にて研究を進めている研究者に対しても現地を訪問し、きめ細かなフォローを行った。また、研究期間内で異動した研究者をその都度訪問し、研究環境を確認した上で、新組織責任者への協力依頼、研究継続に必要となる支援の決定を行った。訪問については、研究総括訪問に技術参事が同行するとともに、技術参事が別途研究者訪問を行い研究者の課題早期発見
並びに相談を行った。 また、研究設備の整備状況把握、相談に事務参事が訪問を行った。
５）国際シンポジウム「さきがけフォーラム」開催（研究成果報告会）：2010 年 3 月
第２期生の研究終了にともなう成果報告会を、“国際シンポジウム「さきがけフォーラム」”
として開催した。文化功労者の霜田光一博士ならびに第２期生と親交が深い新進気鋭の海外研究者 5 名を招き、また、第１期生、第 3 期生もポスター講演を行い、領域全体で光科学の本質に基づき、将来もたらされると期待される新パラダイムを見据える討論を行った。
20１0 年度春季応用物理学関係連合講演会のシンポジウムの１つとして実施したが、成果報告という枠組みにとらわれず、光科学分野で活躍する若手研究者の研究発表を通して、光科学の最前線と新たな展開についての議論を深められる場をつくることを目指した。幅広い層から３８０名の参加者に恵まれ、多くのセッションで立ち見が出る活気溢れるフォーラムとなった。霜田博士から若手研究者への励ましと共に、参加者の方々から光科学の将来についての貴重な意見と展望を頂く事ができたが、これらの意見、提言、そして、この経験は若きさきがけ研究者にとって貴重な財産になるものと思われる。
６）研究内容・成果への高い社会的評価
研究内容・成果に対する社会の期待感が高く、マスコミで数多く取上げられた。全国紙に幾度と無く取上げられると供に、世界紳士録である Marquis Who's Who に掲載される研究者
も現れた。

154

青木隆朗研究者：毎日新聞「理系白書 ’90“次代を築く若手研究者たち”」に選定される。
櫛引俊宏研究者：「Marquis Who's Who in the World」に選ばれる。
田中拓男研究者：卓越した研究成果と判りやすい実世界での応用が評価され、全国紙に数多く取上げられる。「“透明人間”姿をみせた」（日本経済新聞）等 9 回。
７． 評価の手続き
まず、研究期間中間時点の領域会議（平成 20 年秋）で「中間まとめと今後の展望」を特別テーマとして実施し、研究総括、アドバイザーの意見を頂いた。次に、研究期間最終年度に、領域会議（平成 21 年秋）「研究終了評価と今後の展開」討議、ならびに、研究者の課題別評
価書（平成 22 年 2 月作成）を基に領域アドバイザーの意見を参考にして研究総括が評価を行った。
また、研究終了時に科学技術振興機構が開催する、一般公開である研究終了報告会の参加者の意見を参考とした。特に、研究終了報告会には、2008 年度文化功労者で、レーザーの黎明期からご活躍され日本の光科学を牽引してこられた霜田光一博士を始めとし、新進気鋭の海外研究者５名にも参加頂き、活発な意見のもと、その研究成果評価と共に研究の将来性に有用な意見を頂いた。
（評価の流れ）平成２０年１１月
平成２１年１０月
平成２２年 ２月
平成２２年 ３月
平成２２年 ３月
平成２２年 ３月
平成２２年 ４月

H20 秋領域会議にて、特に第 2 期生に「中間まとめと今後の展開」をテーマ設定し、総括・アドバイザーによる進捗評価とアドバイスを実施。
H21 秋領域会議にて、第 2 期生に「研究終了評価と今後の展開」をテーマ設定し、総括・アドバイザーによる進捗評価とアドバイスを実施。
研究報告書及び研究課題別評価書提出（研究者作成）
研究報告会開催（研究総括、アドバイザー、海外招聘研究者、一般公開報告会参加者による評価の実施）
研究期間終了領域活動・評価報告書及び研究課題別評価書提出
研究報告書提出

８． 評価項目（１） 研究計画書の目標に対する研究課題の達成度（２） 得られた研究成果の科学技術への貢献（３） 計画外成果の科学技術への貢献（４） 外部発表（論文、口頭発表、等）、発明出願など研究成果の発信状況（５） 表彰・招待講演など外部からの評価状況
９． 研究結果
当領域では、光の本質の探究から光の応用に至る幅広い研究課題が採択されている。本
質の探究には、原子・光子の量子操作、分子構造のイメージングなどがあり、応用は、光の制御から始まり光による物質の制御、新奇な物質の創成に至っている。これらの研究には、光科学に関する様々な分野の協力が必要であるが、当領域の幅広い専門分野の研究者、並びにアドバイザーの交流により多くの研究課題発展が図られた。その結果、研究成果に、将来もたらされると期待される新パラダイムを見据えた、新たな原理の発見、方法論の創出、並びに、革新的な技術展開の契機が示された。研究者別にそれらの研究目的と結果、及び評価を記述する。
○ 青木 隆朗 研究者
共振器に閉じ込められた光と原子が相互作用する系であるキャビティＱＥＤ系において、新
しい共振器としてトロイド型微小共振器を用いて系を構築し、原子と光の量子状態を操作す

155

る技術を確立することを目標に研究を行った。
トロイド共振器キャビティＱＥＤ系を確立し、過結合条件下キャビティＱＥＤ系の実現と光子ターンスタイル効果の観測という成果を得た。さらに超低損失テーパー・ファイバーの作製に成功したことと合わせ、外部導波路まで含めた全系で低損失なキャビティＱＥＤ系による忠実度の高い量子状態の取り出しと複数のキャビティＱＥＤ系の結合へ道を開いたことは大きな成果である。
今後、本研究によって実現した過結合条件下キャビティＱＥＤ系と超低損失テーパー・ファイ
バーをもとに、これまで小規模な原理実証実験に留まっていた光学的量子情報処理の研究
を、有意義な規模にまで拡張することを期待する。

○ 蘆原 聡 研究者
広帯域なスペクトルと短い時間幅をもつ中赤外パルスを発生する技術を開発し、超高速分
光およびコヒーレント制御へ適用することを試みた。特に、凝縮相の分子ダイナミクスを追跡し、水の分子振動エネルギーの移行ダイナミクスの観測することを目標に研究を行った。
中赤外超短パルスによる分子および格子のダイナミクス制御というフィールドに先駆的に取り組み、オリジナルなアイデアで、波長 3 ミクロン帯での 4 サイクルパルスの発生、波長 5ミクロン帯での 3 サイクルパルスの発生、など従来法を凌ぐバンド幅の中赤外パルスの発生を実現したことは特筆すべき成果である。これら装置により、水分子の水素結合が、一分子から水素結合ネットワークへとエネルギーを放出するダイナミクスに与える影響を明らかにした点が評価される。
今後、開発した高度に制御された中赤外光を、電子的基底状態でのコヒーレント制御ツー
ルへと展開し、分子の解離や異性化、分子性結晶の相転移などを誘導する新手法を確立す
る等、中赤外超短パルスによる分子および格子のダイナミクス制御というフィールドを切り拓
くことを期待する。
○ 木下 俊哉 研究者
情報の媒体として冷却原子を利用する新技術の開発が期待され、本研究では光格子中の冷却原子の流れや輸送に関する物理を探求することに取り組んだ。具体的には、欠陥などを含まない極めてクリーンな物質波の導波路としての１次元ボース気体の、非平衡ダイナミ
クスの物性現象観測を目標に研究を行った。
接触型相互作用を行う純粋な１次元ボース気体において、この系が可積分系とみなしてよいことを見出し、一方、トンネリングが起こる場合は、トンネリングにより平衡状態への緩和が誘発されることを見出した。光格子に関する研究は多くの可能性をもっているが、本研究のように系の可積分性に着目し、非可積分項の印加と操作によって非平衡過程の解明を目指した研究例はなく、熱平衡から遠く離れた状態という物理の未開拓分野に、新たな実験的アプローチがあることを示せたのは意義あることである。
現在立ち上げている実験系にて、BEC 後に原子集団を光格子中に誘導し、そこで発現する物性現象の研究成果に期待する。
○ 櫛引 俊宏 研究者
再生医療において、幹細胞などが有する機能を非侵襲的に制御し安全に“指示”を与える
方法として光技術を応用する事を目標に研究を行った。
本研究では、赤外、可視光、紫外のみならず広範な領域の光を用いた幹細胞への“指示”とそのメカニズムの解明を行い、再生医療実現化へブレークスルーとなる光技術を創成し提案している。研究成果として、レーザーを用いた細胞の分化制御（促進）、生理活性物質の発現制御という新しい細胞機能制御プロセスを提案することができた。中でも、軟骨細胞への分化促進効果確認、骨髄間葉系幹細胞にレーザー照射した後の骨芽細胞への分化確認など、レーザーを用いた幹細胞分化の促進効果の確認と光条件の抽出は特筆すべき成果

156

である。
細胞生理機能をレーザー照射により制御することができれば、疾病の新しい治療方法としてだけではなく、細胞機能の役割解明にレーザーが有用なツールとなると考えられる。光技術を安全に生体に適応できることを目標に、細胞内に存在する光受容体に適応した光技術
応用開発を期待する。
○ 越野 和樹 研究者
光子の光学応答，特に非線形応答を定量的に解析するための「量子非線形光学理論」での厳密解において、光子場の連続多モード性、ならびに、光・物質双方の量子化、を具備した新解析手法開拓、ならびに、それに基づく光子操作諸技術の理論的提案を目標に研究を行った。
数値計算量を劇的に減らして解析可能な問題の対象を拡げた事に加え、長年に亘り蓄積されてきた非線形光学の知見を量子光学領域へスムースに転用できる実用的価値の高い手法を提案したことは意義あることである。更に、光子操作技術の提案として、「共振器ＱＥＤ系を用いた単一光子フィルタ」及び、「二光子量子ゲートとその制御方法」などのアイデアを世界にさきがけて発信し、その有用性の検証も行っている。
本研究で開発、提案された手法は実用化に向けて有利な点も多く、国内外の実験チームとの共同研究などを通じて，新奇量子デバイスの開発に結びつけて行くことを期待する。
○ 田中 拓男 研究者
人工的に導入したナノサイズの金属構造によって、物質の光学的な性質を操作する技術と，それを用いた全く新しい人工光学材料である“プラズモニック・メタマテリアル”の創製を目指した研究を行った。
直面した技術的課題はメタマテリアルを構成する金属構造加工の難しさであり、３次元的なナノサイズの新しい金属ナノ加工技術開発に成功した。この３次元ナノ金属加工技術はその有効性が確認され、世界的に見てもオンリーワンの技術として評価されている。得られた金属ナノ構造プラズモニック・メタマテリアルが、自然界には存在しない全く新しい光機能性材
料として動作し，これまでの光学理論では説明できない新たな光学現象を発現させることに成功している。
今後、可視光域で動作するメタマテリアルを実現するためには，更なる微細金属加工技術が必要であり化学的な合成手段などを取り入れメタマテリアルによってのみ実現できる新奇な光学現象・効果の探究も継続して続けて行くことを期待する。

１０．
評価者
研究総括 伊藤 弘昌

東北大学大学院工学研究科 客員教授／東北大学名誉教授（独）科学技術振興機構 イノーベーションプラザ館長

領域アドバイザー氏名（五十音順）
伊澤 達夫
東京工業大学 理事・副学長
占部 伸二
大阪大学大学院基礎工学研究科 教授
枝松 圭一
東北大学電気通信研究所 教授
江馬 一弘
上智大学理工学部物理学科 教授
桜井 照夫
産業技術総合研究所 光技術研究部門 招聘研究員
笹木 敬司
北海道大学電子科学研究所 教授
栖原 敏明
大阪大学大学院工学研究科 教授
張 紀久夫
豊田理化学研究所 フェロー／大阪大学名誉教授
筒井 哲夫
九州大学 名誉教授
富永 淳二
産業技術総合研究所 近接場光応用工学研究センター

157

センター長NTT 物性科学基礎研究所 グループリーダー（主幹研究員）
京都大学大学院工学研究科 教授
理化学研究所基幹研究所 緑川レーザー物理工学研究室
主任研究員
東北大学未来科学技術共同研究センター 教授
東京農工大学 名誉教授

納富 雅也
野田 進
緑川 克美
横山 弘之
覧具 博義

（参考）
（１）外部発表件数
論 文
口 頭
招待講演
著書・解説
プレス発表・メディア発表
合 計（２）特許出願件数
国 内
5

国 際
1

国 内
2
39
63
30
22
156

国 際
41
25
38
1
4
109

計
43
64
101
31
26
265
※平成２２年３月現在

計6（３）受賞等○ 青木 隆朗 研究者
2008 年 4 月 平成 20 年度 文部科学大臣表彰若手科学者賞
表彰業績名；「量子光学分野における量子情報処理技術の研究」
表彰主催団体；文部科学省○ 蘆原 聡 研究者
2009 年 4 月 平成 21 年度 文部科学大臣表彰若手科学者賞
表彰業績名；「中赤外超短パルスを利用した分子振動ダイナミクスの研究」
表彰主催団体；文部科学省○ 櫛引 俊宏 研究者
2008 年 4 月 平成 20 年度 文部科学大臣表彰若手科学者賞
表彰業績名；「ドラッグデリバリーシステムと光技術による生体幹細胞の分化制御に関する研究」
表彰主催団体；文部科学省
2007 年 5 月 第 31 回レーザー学会奨励賞
表彰業績名；「レーザーによる生体幹細胞の分化制御とそのメカニズム」
表彰主催団体；（社）レーザー学会
2006 年 11 月 平成 18 年度日本レーザー医学会総会賞
表彰業績名；「レーザーによる生体幹細胞の分化制御とそのメカニズム」
表彰主催団体；日本レーザー医学会○ 越野 和樹 研究者
2007 年 9 月 日本物理学会第 1 回若手奨励賞

158

表彰業績名；「量子ゼノ効果と測定問題の理論的考察」
表彰主催団体；（社）日本物理学会○ 田中 拓男 研究者
2009 年 10 月 ISOM09 Best Academic Paper Award
受賞者；Takuo Tanaka, Takanobu. Higuchi, Tetsuro. Koga, and Ayumi. Mitsumori
表 彰 業 績 名 ； "Plasmonic three-dimensional optical disk with ten recording
layeres"
表彰主催団体；INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON OPTICAL MEMORY 2009
" ISOM (2009) .″2008 年 10 月 第 14 回 東京テクノ・フォーラム２１ ゴールド・メダル賞
表彰業績名； 「メタマテリアルを駆使したプラスチックレンズの先端的基盤技術の開発」
表彰主催団体； 東京テクノフォーラム２１
2008 年 3 月 第 11 回 2007 年度 丸文研究奨励賞.
表彰業績名； 「プラズモニック・メタマテリアルの創製と新奇光デバイスへの展開,」
表彰主催団体；財団法人 丸文研究交流財団
2007 年 3 月 平成 18 年度 第 48 回光学論文賞
表彰業績名； "Unattenuated light transmission through the interface between
two materials with different indices of refraction using magnetic
metamaterials, Physical Review B 73, 12, 125423 (2006),"
表彰主催団体；応用物理学会分科会 日本光学会（４）招待講演
国際 ３８件
国内 ６３件159

別紙「光の創成・操作と展開」領域 研究課題名および研究者氏名
研究者氏名（参加形態）

研 究 課 題 名（研究実施場所）

現 職（応募時所属）キャビティ QED による原子と光子の量子操作（京都大学大学院理学研究科
物理学第一教室 GCOE 特別講座）

京都大学大学院理学研究科 特定准教授（東京大学大学院工学系研究科
助手）

６８

蘆原 聡
（兼任）

赤外サイクルパルス光波による
東京農工大学大学院共生科学技
分子振動ダイナミクスの追跡術研究院 特定准教授（東京農工大学大学院共生科学（東京大学生産技術研究所 助
技術研究院）
手）

５７

木下 俊哉
（兼任）

光格子によるアトムトロニクスの京都大学大学院人間・環境学研
ためのデバイス開発
究科 准教授（京都大学大学院人間・環境学（ペンシルベニア州立大学(米国)研究科）
Post-doctoral fellow）

５２

青木 隆朗
（兼任）

櫛引 俊宏
（兼任）

越野 和樹
（兼任）

田中 拓男
（兼任）

光技術による生体幹細胞の分化制御-再生医療実現化に向け 大阪大学大学院工学研究科環境・エネルギー工学専攻 特任講
た光技術の創成（大阪大学大学院工学研究科環 師（同上 特任助手）
境・エネルギー工学専攻）
光子数確定パルスの空間制御 東京医科歯科大学教養部 准教
理論授（東京医科歯科大学教養部）（和歌山大学システム工学部 助手）
プラズモニック・メタマテリアルの（独）理化学研究所基幹研究所
創製と新奇光デバイスへの展開
准主任研究員（（独）理化学研究所基幹研究所（（独）理化学研究所中央研究所
田中メタマテリアル研究室）
先任研究員）

160

研究費
(百万
円)

６６

１８

５４

研究課題別評価書
１．研究課題名「キャビティ QED による原子と光子の量子操作」
２．氏名
青木 隆朗
３．研究のねらい
共振器に閉じ込められた光と原子が相互作用する系であるキャビティＱＥＤ系の強結合領域では、原子と光子のコヒーレントな相互作用があらゆる散逸に対して支配的となる。このような系では、単一原子が単一光子レベルの入力光に対して大きな非線形性と非古典統計性をもたらす一方で、単一光子レベルの光が単一原子の量子状態に大きな影響を及ぼす。
これまで、このようなキャビティＱＥＤ系の研究にはファブリーペロー共振器が用いられてきたが、高Ｑ値化・微小化の技術的限界、ファイバー光学系との整合性の低さ、スケーラビリティの低さといった欠点があった。
そこで本研究では、これらの欠点を克服する新しい共振器としてトロイド型微小共振器を用いてキャビティＱＥＤ系を構築し、原子と光の量子状態を操作する技術を確立することを目指す。
４．研究成果[A] カリフォルニア工科大学における成果
本研究は、2008 年 11 月までの期間、カリフォルニア工科大学キンブル研究室において実施した。
また、研究に用いたトロイド共振器は同大学バハラ研究室より提供いただいた。
(1) 単一セシウム原子とトロイド型微小共振器の強結合の観測
図１に示すように、真空槽内にトロイド共振器とテーパー・ファイバーを配置し、トロイド共振器の上方 10mm の位置に磁気光学トラップによりセシウム原子集団を捕獲・冷却する。さらに偏光勾
配冷却により 10μK まで冷却した後、原子をトラップから解放して自由落下させる。このとき、一部の原子はトロイド共振器のモードのエヴァネッセント成分中を通過し、共振器モードとの結合が発現する。

図１： 単一セシウム原子とトロイド型微小共振器の強結合測定系
この結合を検出するため、テーパー・ファイバーとトロイド共振器の結合条件を臨界条件に保持し、共振器に共鳴したプローブ光の出力を単一光子検出器で測定した。その結果を図２(a)(b)に示す。原子を落としたときのみに観測された、検出光子数の増加が原子と共振器の結合に起因する信号である。さらにプローブ光と共振器の離調ΔACを変えて測定し、原子と共振器の結合信号を

161

ΔACの関数としてプロットしたのが図２(c)である。理論計算との比較から、原子と共振器の結合強度として 50MHzが得られ、強結合系の実現が示された。

図２： 測定結果 (a)原子がある場合と(b)原子がない場合の単一光子検出器の出力(c)原子と共振器の結合信号の離調依存性(2) 臨界結合条件下キャビティＱＥＤ系における単一原子の共鳴蛍光の観測(1)と同じ実験系において、テーパー・ファイバーと臨界結合条件下にあるトロイド共振器と単一原子との結合が１次元原子領域にある場合、テーパー・ファイバーの透過光はPurcell効果によって増強された単一原子の共鳴蛍光と考えることができる。そこで、この系においてコヒーレント光を入力したときの透過光の光子統計を測定した結果、２次の相関関数の振る舞いとしてg(2)(τ) >g(2)(0) （光アンチバンチング）および g(2)(0) < 1 （サブポアソン統計）が観測された。
(3) 過結合条件下キャビティＱＥＤ系の実現と光子ターンスタイル効果の観測
上記のトロイド共振器キャビティＱＥＤ系で研究者は、従来のファブリーペロー共振器キャビティ
ＱＥＤ系と比較しても高い内部結合効率を達成したが、さらにトロイド共振器の持つスケーラビリテ
ィやファイバー光学系への整合性の高さを活かすためには、外部導波路としてのテーパー・ファイ
バーへの外部結合効率を高める必要がある。これは、テーパー・ファイバーを過結合条件下に保持することで可能となる。そこで、このような系の実現のために、上記の実験系とは独立にトロイド共振器キャビティＱＥＤ系を立ち上げた。この系では(i)原子の冷却・捕獲とキャビティＱＥＤ系に個別の真空槽を割り当てた２槽式真空槽を差動排気によって接続することによる、捕獲原子数の増加、キャビティＱＥＤ系の真空度の向上、キャビティ性能の劣化を引き起こす不純物原子のキャビ
ティ表面への吸着の抑制、(ii)光ベルトコンベヤーに基づく２槽間の原子の安定な輸送、(iii)超高真空対応３軸ピエゾステージの導入によるテーパー・ファイバーの高安定・高精度駆動を実現した。
この系を用いて、過結合条件下キャビティＱＥＤ系を初めて実現した。

162

図３： 過結合条件下キャビティＱＥＤ系の実験セットアップ
図３に示すように、光ベルトコンベヤーによって原子槽からキャビティＱＥＤ槽へと冷却原子を輸送し、テーパー・ファイバーと過結合条件下にあるトロイド共振器へと落下させた。コヒーレント光を入力し、原子がトロイド共振器のモードを通過する間の透過光と反射光の両方について出力光子数および光子統計を測定した。

図４： 測定結果
図４に示すように、原子と共振器の結合の結果、透過光強度の減少と反射光強度の増加、さらに透過光における光バンチング（g(2)(τ) < g(2)(0) ）とスーパーポアソン統計性（g(2)(0) > 1）、反射光
における光アンチバンチング（g(2)(τ) > g(2)(0) ）とサブポアソン統計性（g(2)(0) < 1）が得られた。これは、大きなPurcell効果によって単一原子が共振器モードに対して選択的に光子を放射し、励起光とコヒーレントに量子干渉する結果、入射した光子のうち最初の光子は反射され、残りの光子は透過する（光子ターンスタイル効果）ことを示している。
上記で実現した過結合領域の大きな特徴は、共振器内部損失が導波路への外部結合と比較して無視できるため、共振器内部の光の量子状態を、忠実度を損なうことなく外部導波路に取り163

出すことができることにある。これは、光を用いた量子情報処理において必須の性質であり、またトロイド共振器のスケーラビリティと組み合わせることで、これまで小規模な原理実証実験に留まっていた光学的量子情報処理の研究を、有意義な規模にまで拡張できることが期待される。
[Ｂ] 京都大学における成果
本研究は、2008 年 12 月より研究終了までの期間は京都大学にて実施した。
(1) 超低損失テーパー・ファイバーの作製
上記で実現した過結合条件下キャビティＱＥＤ系の低損失性を活かすには、共振器と結合している外部導波路としてのテーパー・ファイバーの損失を抑制することが必要である。そこで、テーパー・ファイバーの本質的な損失機構である放射モードへの結合について検討し、それを抑制することで透過率が 99%を超える超低損失なテーパー・ファイバーの作製に成功した。これは、真空
クラッド・サブ波長ファイバーの透過率としては世界最高のものである。
(2) トロイド共振器の作製
カリフォルニア工科大学において実施した研究に用いたトロイド共振器は、同大学バハラ研究室に提供いただいたが、京都大学においては研究者自ら作製した。その結果、セシウム原子のD2 線に対応する 852nmにおいて約 3×108という、比較的高いＱ値を実現した。これは、世界の複数のグループで作られているトロイド共振器の中でも最も高い値の一つである。
５．自己評価
トロイド共振器キャビティＱＥＤ系を確立し、さらに古典的な光であるコヒーレント光の入力に対して光子ターンスタイル効果を観測したことで、光子の量子操作については当初の目的を達成したといえる。しかし、研究期間中に京都大学への異動があったこともあり、研究計画にあった共振器モード中への単一原子トラップの実現には至らなかった。本研究で実施した実験では、原子はトロイド共振器のモード中を自由落下しているため、原子のモード内滞在時間が短く、原子の量子操作については不完全なものとなった。
一方、当初の研究計画にはなかったが、キャビティＱＥＤ系における外部結合効率の重要性に着目し、世界に先駆けて過結合条件下キャビティＱＥＤ系を実現したこと、さらに超低損失テーパ
ー・ファイバーの作製に成功したことと合わせ、外部導波路まで含めた全系で低損失なキャビティ
ＱＥＤ系による忠実度の高い量子状態の取り出しと複数のキャビティＱＥＤ系の結合へ道を開いた
ことは大きな成果である。
６．研究総括の見解
共振器に閉じ込められた光と原子が相互作用する系であるキャビティＱＥＤ系において、新しい共振器としてトロイド型微小共振器を用いて系を構築し、原子と光の量子状態を操作する技術を確立することを目標に研究を行った。
下記 3 点の観測成果を得、トロイド共振器キャビティＱＥＤ系を確立したと言える。これらの成果
は、Nature, Science の論文に纏められるとともに、高い評価を受け「文部科学大臣表彰 若手科学者賞」を受賞している。
１）単一セシウム原子とトロイド型微小共振器の強結合において、従来のファブリーペロー共振器
キャビティＱＥＤ系と比較しても高い内部結合効率を達成。
２）臨界結合条件下キャビティＱＥＤ系における単一原子の共鳴蛍光の観測
３）過結合条件下キャビティＱＥＤ系を世界で始めて実現し、光子ターンスタイル効果の観測に成功。
さらに下記 2 点の研究成果により、外部導波路まで含めた全系で低損失なキャビティＱＥＤ系による忠実度の高い量子状態の取り出しと、複数のキャビティＱＥＤ系の結合へ道を開いたことは大きな成果である。
１）テーパー・ファイバーの放射モード結合損失機構を抑制することで透過率が 99%を超える超低損失なテーパー・ファイバーの作製に成功し、真空クラッド・サブ波長ファイバーの透過率として164

は世界最高性能を実現。
２）セシウム原子のD2 線に対応する 852nmにおいて、世界で作られているトロイド共振器の中で最も高いＱ値（約 3×108）を実現。
今後、本研究によって実現した過結合条件下キャビティＱＥＤ系と超低損失テーパー・ファイバーをもとに、これまで小規模な原理実証実験に留まっていた光学的量子情報処理の研究を、有意義な規模にまで拡張することを期待する。
７．主な論文等（Ａ）さきがけ個人研究者主導で得られた成果で主なもの（１）論文（原著論文）発表
・Takao Aoki, A. S. Parkins, D. J. Alton, C. A. Regal, Barak Dayan, E. Ostby, K. J. Vahala, and H. J.
Kimble, "Efficient Routing of Single Photons by One Atom and a Microtoroidal Cavity", Phys.
Rev. Lett. 102, 083601 (2009).
・Takao Aoki, Barak Dayan, E. Wilcut, W.P. Bowen, A.S. Parkins, T.J. Kippenberg, K.J. Vahala, and
H.J. Kimble, "Observation of strong coupling between one atom and a monolithic
microresonator", Nature 443, 671 (2006).
（２）著書
・青木隆朗 「基礎からの量子光学」第２部第６章（分担執筆）、オプトロニクス社 2009 年 11 月 30
日発行
（3）受賞
・2008 年 4 月 平成 20 年度 文部科学大臣表彰若手科学者賞
表彰業績名；「量子光学分野における量子情報処理技術の研究」
表彰主催団体名；文部科学省（B）本研究課題に関連した成果で主なもの
・Barak Dayan, A.S. Parkins, Takao Aoki, E.P. Ostby, K.J. Vahala,and H.J. Kimble, "A Photon
Turnstile Dynamically Regulated by One Atom", Science 319, 1062 (2008).

165研究課題別評価書
１．研究課題名「赤外サイクルパルス光波による分子振動ダイナミクスの追跡」
２．氏名
芦原 聡
３．研究のねらい
波長 3-30 ミクロン（周波数 10 – 100 THz）の電磁波を中赤外光とよぶ。多くの分子振動モードがこの周波数領域に存在するため、短い時間幅をもつ中赤外パルスを使うと、化学反応が起こる
過程で、分子の構造や振動状態が変化する様子を時間分解観察できる。また、中赤外光の波形整形により、特定の分子振動モードを選択的に励起し、電子的基底状態で分子反応を誘導することが可能となる。これら非線形分光において、時間分解能や波形整形の自由度を向上させるためには、広帯域なスペクトルをもつコヒーレント中赤外光の発生と、その分散制御が必要である。
本研究では、非線形光学を駆使して、広帯域なスペクトルと短い時間幅をもつ中赤外パルスを発生する技術を開発することを第一の狙いとする。特に、超高速分光およびコヒーレント制御への適用を念頭に置き、マイクロジュール以上のエネルギーをもつパルス発生に特化する。また、中赤外超短パルスを利用して、凝縮相の分子ダイナミクスの追跡を第二の狙いとする。特に、生命現象と関わりの強い水に注目し、分子振動エネルギーの移行ダイナミクスの観測を行う。水は分子内・分子間でのエネルギー移行を非常に高速に起こす物質であり、そのダイナミクス解明には、
時間幅の短い中赤外パルスが必要となる。
４．研究成果４－１．波長 3 ミクロン帯での 4 サイクルパルスの発生
光パラメトリック増幅と差周波発生を用いる従来法によって、マイクロジュール以上のエネルギーをもつ中赤外パルスが得られる。しかし、そのスペクトル幅は 200 cm-1、時間幅は 100 fsに限られる。われわれは、周期分極反転ニオブ酸リチウムを非線形光学媒質とする光パラメトリック増幅器を開発し、中赤外波長域 3-4 ミクロンにおいて広帯域なスペクトルをもつ中赤外パルスの発生を行った。この波長域には、分子振動モードの中で最も振動数の高い、OH基やNH基などの伸縮振動モードの共鳴線が存在する。
光パラメトリック増幅では、通常、位相整合条件によって発生するシグナルおよびアイドラ光の波長が制限される。これに対し、酸化マグネシウム添加ニオブ酸リチウム結晶（MgO: LiNbO3）においては、ポンプ光波長 800 nmの場合、

図２ 周期分極反転MgO:LiNbO3を利用した
光パラメトリック増幅器

図１ MgO: LiNbO3を利用した光パラメトリ
ック増幅における擬似位相整合条件

166

波長 3-4 ミクロンのアイドラ光を発生するための擬似位相整合条件を満たす分極反転周期が、ほぼ一定となる（図１）。つまり、単一の周期をもつ分極反転素子を利用して、広帯域な擬似位相整合条件を達成できるようになる。
研究提案者は図２に示す光パラメトリック増幅器を開発した。励起光源はチタン・サファイアレーザーの再生増幅パルス（時間幅 120 fs）である。サファイア板によって白色光を発生し、それに続けて周期分極反転MgO: LiNbO3素子（分極反転周期 22.2 ミクロン、素子厚 1 mm、相互作用長 2mm）を利用して二段階の光パラメトリック増幅を行った。
発生したスペクトルを図 3(a)に示す。波長 3-4 ミクロン帯でスペクトル半値全幅 600 nm （振動数幅>500 cm-1）をもつコヒーレント中赤外パルスの発生に成功した。次に、厚み 1 mmのシリコン窓を透過させることで二次分散補償を行った。このときのSHG-FROGによる波形評価の結果を図３(a) (b)に示す。このように、時間幅 45 fsのパルス発生（パルス中の電場振動が 4 サイクル）を実現した [Jpn. J. Appl. Phys.Vol.48, No. 4, 042501 (2009)]）。

(a)(b)
図３ (a) 測定された広帯域中赤外パルスのスペクトル（マーカー）および SHG-FROG 法によって再構築されたスペクトル強度と位相 (b) 再構築された時間領域での振幅と位相
４－２．波長 5 ミクロン帯での 3 サイクルパルスの発生
先述の広帯域擬似位相整合法を利用して発生できる中赤外光は、波長 4.5 ミクロン以下に制限される。5 ミクロン以上の長波長域で、広帯域中赤外パルスを発生する手法として、われわれは半導体結晶中の自己位相変調の利用を考案し、その有効性を実証した（Ashihara et al., Opt.
Lett. 34, 3839, 2010）。自己位相変調とは、3次の非線形光学効果により、光パルスのスペク
トルが広 帯 域 化 する現 象 であり、可 視 ～近 赤 外 で広 く利 用 されている。本 研 究 では、波 長
域 1-20 ミクロンでの十 分 な透 明 性 と、極 めて大 きな非 線 形 性 （非 線 形 屈 折 率 n 2 = 10 -3
cm 2 /W ）を併せ持つGaAs結晶に着目した。

図 4 中赤外自己位相変調の実験装置図167

図4に実験概略図を示す。光パラメトリック増幅と差周波発生により、中心波長 5ミクロン、
時 間 幅 100 fs、の中 赤 外 光 パルスを発 生 させ、その光 パルスをGaAs結 晶 に集 光 して自 己
位相変調を起こした。集光条件などを最適化することにより、図5(a)に示す通り、オリジナル
パルスのスペクトル幅540 nm （振動数幅220cm -1 ）を、2060 nm （910 cm -1 ）へ広帯域化することに成功した。このスペクトルから計算されるフーリエ限界パルスの時間幅は、28 fs（光電場振動に換算すると1.7サイクル）であった。
GaAs結晶中の分散性伝播と自己位相変調の結果、広帯域化したパルスは正チャープを
伴 って200 fsに伸 張 する。負 の二 次 分 散 をもつCaF 2 窓 を利 用 して2次 分 散 補 償 を行 った結果 、時 間 幅 50 fsまで短 パルス化 することに成 功した。図 5(b)はこのときの干 渉 性強 度自 己相関信号である。ここで、スペクトル測定データを利用し、自己相関信号によくフィッティング
するようにスペクトル位相を決定 することで、波形評価を行 った。得られた時間幅 は、波長5μmの光電場振動に換算すると、3サイクルに相当する。
本手法は、非共鳴な非線形性を利用するため、動作波長を選ばない。そのため、二光子吸収が起こらず、材料が透明な波長域 2-20 ミクロンで一般的に有効な手法であるといえる。

(a)(b)
図 5 (a) 中赤外スペクトル広帯域化の実験結果（挿入図は計算されたフーリエ限界パルス）(b) 分散補償を施した広帯域化パルスの干渉性強度自己相関信号とフィッティング結果
４－３．中赤外ポンプ・プローブ分光装置の開発による水の振動エネルギー緩和の観測
分子ダイナミクスの観測へ向け、中赤外フェムト秒パルスを利用したポンプ・プローブ分光計測システムを立ち上げた（図6）。ポンプ光が試料を励起したのち、時間遅延をもって入射したプローブ光が分子の過渡吸収変化、ひいては分子の振動状態を観測する。マルチチャンネルHgCdTe検出器を利用して測定精度の向上を図り、ノイズレベルを 0.1 mOD以下に抑えた。相互相関測定を用い、装置の時間分解能を120 fsと評価した。
純水のOH変角振動モードのエネルギ
ー緩和ダイナミクスの測定を行った（ 17th International Conference on
Ultrafast Phenomena, submitted.）。変角振動モードは、分子内振動の中で最低の振動数をもつため、その励起寿命は、一分子から水素結合ネットワーク
へエネルギーを移行する速度を決定している。
温度制御水薄膜セルを作製し、液相
水のOH変角振動エネルギー緩和の温度依存性を測定した。測定された室温
図 6 中赤外ポンプ・プローブ分光システム
および摂氏80度での過渡吸収スペクト

168

ルをぞれぞれ図7 (a) (b) に示す。誘導放出および吸収飽和による吸収の減少（1650 cm-1付近）と、励起状態吸収
による吸収の増加（1560 cm-1付近）が瞬間的に立ち上がり、200-300 fs程度で減衰する様子が観測された。ピコ秒
オーダーの吸収変化は、エネルギーの熱平衡化、すなわち温度上昇に伴う信号と解釈できる。
まず、温度上昇にともなうスペクトル
変化は、高温で小さくなることがわかった。水には水素結合状態の異なる二成分が存在するといわれ、温度上昇に伴う吸収変化は、この二成分の比が変化することによって生じる、と考えられる。実験結果は、二成分比の温度による変化が、高温へ近づくと飽和する傾向を示唆している。数値解析の結果、エネルギーの緩和時間は21度で約200 fs、80度では約280 fsとなり、温度上昇とともに励起寿命が延びることがわかった。これは、水素結合が弱くなるにつれ、変角振動モードと分子間振動モードの非調和カップリングが弱くなることを示唆する。以上の通り、水の一分子に局在化したエネルギーが、水素結合ネットワークへ放出されるダ
イナミクスが、水素結合によって加速されていることを明らかにした。

図 7 中赤外ポンプ・プローブ分光システム

５．自己評価
OH基やNH基の伸縮振動モードが存在する波長 3 ミクロン帯において、スペクトル幅 500 cm-1を超す広帯域中赤外パルスの発生に成功し、パルス内の電場振動が 4 サイクルの短パルス化に成功した。次に、長波長領域でも有効な中赤外パルスのスペクトル広帯域化の手法を開発し、波長5 ミクロンにおいて、900 cm-1を超すスペクトル広帯域化と電場振動４サイクルへの短パルス化に成功した。これら二項目は、オリジナルなアイデアに基づいて行われ、従来法を凌ぐバンド幅の中赤外パルスの発生を実現したという点で、十分評価できる。研究期間中に波形整形器を開発した
が、時間の制約から、これを広帯域パルスの分散補償に適用することはできず、３サイクルを切る
極短パルス化に至らなかった点が残念である。
研究期間の後半から、中赤外時間分解分光測定の装置を立ち上げた。この装置は、凝縮相で起こる分子振動のエネルギー緩和ダイナミクスを調べる上で、十分の時間分解能と測定精度を有する。この装置を利用して、純水の OH 変角振動モードのエネルギー緩和現象に関して、その温度依存性を初めて観測した。そして、水素結合が、一分子から水素結合ネットワークへとエネルギ
ーを放出するダイナミクスに与える影響を明らかにした点には一定の評価ができる。
６．研究総括の見解
中赤外超短パルスによる分子および格子のダイナミクス制御というフィールドに先駆的に取り169

組み、オリジナルなアイデアで、従来法を凌ぐバンド幅の中赤外パルスの発生を実現し、水分子の水素結合が、一分子から水素結合ネットワークへとエネルギーを放出するダイナミクスに与える影響を明らかにした。
主たる成果は次の 3 点である。
１）周期分極反転ニオブ酸リチウムを非線形光学媒質とする光パラメトリック増幅器を開発し、中赤外波長域 3-4 ミクロンにおいて広帯域なスペクトルをもつ中赤外パルスの発生に成功した。
２）半導体結晶中の自己位相変調の利用し波長5ミクロン帯での3サイクルパルスの発生に成功しているが、本手法は、非共鳴な非線形性を利用するため、動作波長を選ばない。そのため、二光子吸収が起こらず、材料が透明な波長域 2-20 ミクロンで使える有用な手法である。
３）中赤外ポンプ・プローブ分光装置の開発による水の振動エネルギー緩和の観測を行い、水素結合が、一分子から水素結合ネットワークへとエネルギーを放出するダイナミクスに与える影響
を始めて明らかにした。
研究成果は主に 5 編の原著論文に纏められているが、その高い評価は、「文部科学大臣表彰
若手科学者賞」受賞、多数の招待講演に結びついている。
今後、開発した高度に制御された中赤外光を、電子的基底状態でのコヒーレント制御ツールへと展開し、分子の解離や異性化、分子性結晶の相転移などを誘導する新手法を確立する等、中赤外超短パルスによる分子および格子のダイナミクス制御というフィールドを切り拓くことを期待する。
７．主な論文等（Ａ）ささきがけ個人研究者主導で得られた成果で主なもの（１）論文（原著論文）発表
・ S. Ashihara, S. Fujioka, K. Shibuya, “ Temperature Dependence of Vibrational Energy
Relaxation of H2O Bending Excitation in Neat Water”, 17 th International Conference on
Ultrafast Phenomena (submitted).
・ S. Ashihara and Y. Kawahara, “Spectral broadening of mid-infrared femtosecond pulses in
GaAs,” Opt. Lett., Vol. 34, No.24, 3839-3841 (2009).
・ S. Ashihara and Y. Kawahara, “Spectral broadening of mid-infrared femtosecond pulses insemiconductor materials,” Nonlinear Optics, JWA21 (2009).
・ S. Ashihara, T. Mochizuki, S. Yamamoto, T. Shimura, and K. Kuroda, “Generation of Sub 50-fs
Mid-Infrared Pulses by Optical Parametric Amplifier Based on Periodically-Poled
MgO:LiNbO3”, Jpn. J. Appl. Phys.Vol.48, No.4, 042501 (2009).
・ S. Ashihara, N. Huse, A. Espagne, E.T.J. Nibbering, T. Elsaesser, “Ultrafast Structural
Dynamics of Water Induced by Dissipation of Vibrational Energy” J. Phys. Chem. A.
Vol.111, No. 5, pp.743-746 (2007).
（２）受賞
・2009 年 4 月 平成 21 年度 文部科学大臣表彰若手科学者賞
表彰業績名；「中赤外超短パルスを利用した分子振動ダイナミクスの研究」
表彰主催団体名；文部科学省（３）解説記事・ 芦原聡,“中赤外フェムト秒パルスによる水分子ダイナミクスの追跡,” レーザー研究 「時間分解レーザー計測の最近の進展」38-2, pp.101-105 (2009).

170

・ 芦原聡,“中赤外高速分光法で観る水の分子振動緩和現象” 分光研究 57-6, p.288 (2008).
（４）招待講演・ S. Ashihara, “Ultrafast vibrational relaxation and structural dynamics in liquid water,” The 6
th Asian Conference on Ultrafast Phenomena (Taipei, 2010.01.10-13).
・ 芦原聡,“振動遷移による分子振動のコヒーレント制御へ向けて,” 「超高速過程における量子コヒーレンスの観測と制御」～量子情報処理から固体・生体分子ダイナミクス～ (東北大学, 2009.12.03-04).
・ 芦原聡,“広帯域赤外パルス発生と波形整形技術” 先端光量子科学アライアンスセミナー「フェムト秒レーザーパルス波形整形技術の基礎と新しい応用展開」(慶応義塾大学,
2009.03.29).
・ S. Ashihara, “Broadband pulse generation and pulse shaping in the mid-infrared,” Advanced
Lases and Their Applications 2009, pp.52-53 (Jeju, 2009.05.07-09).
・ 芦原聡,“中赤外高速分光法でみる水の分子振動緩和,” 日本レーザー学会年次大会 (名古屋,2008.1.31-2.01).

171研究課題別評価書
１．研究課題名「光格子を利用したアトムトロニクスのためのデバイス開発」
２．研究者
木下 俊哉
３．研究のねらい
情報の媒体として冷却原子を利用する新技術の開発が期待されている。冷却された原子は波として振る舞うので、原子波の位相に物理量を含む情報を載せ、原子波どうしを干渉させて位相差を検出し、従来にはないほどの精度で例えば重力加速度などの物理量が測定できる。量子計
算や量子情報の場合は、原子の内部状態どうしを絡み合わせその中に情報を担わせかつ処理する。どちらの場合も、単一原子や多数の原子集団の動きや流れをいかに操作するか、物質波の輸送に最適な環境をいかに作り出すか、がかなめとなる重要な技術である。しかしながら、固体デバイスでの電子の制御と違って、冷却原子の輸送に関する制御技術は確立しておらず、輸送や流れに関する現象の研究すら十分に行われていない。本研究の目的は、将来、原子の動きを制御する機能をもつデバイスを光格子内に作り出すための基盤となる、光格子中の冷却原子の流れや輸送に関する物理を探求することである。当初の計画では、２次元光格子によって形成された１次元チューブ内のボース気体のダイナミクス、内部自由度をもったボース＝アインシュタイン凝縮（スピノール BEC）でのジョセフソン振動のセルフトラッピング現象およびそれを利用した
原子のトランジスタ作用の観測に着目して研究にとりくんだ。
４．研究成果（１）１次元ボース気体の非平衡ダイナミクス（ペンシルベニア州立大学滞在時および帰国後）
２次元光格子によって形成された１次元チューブは、欠陥などを含まない極めてクリーンな物質
波の導波路となる。閉じた導波路内を伝搬させる干渉計では、干渉後に冷却原子を一旦回収しす
ぐに再利用できるので、実用的にもより優れた干渉計となりうる。また、接触型相互作用を行う１次元ボース気体は可積分系であり、初期の運動量分布は散逸することなく持続的に保存される。
この散逸がおこらないという特質は、１次元導波型原子波干渉計など原子波を利用した超精密なセンサーの開発には本来非常に適したものである。しかし、この特質は現実の物質で作った１次元系において、どのような場合でも本当に正しいと言えるのかは自明ではない。また、２重井戸（あるいは２つの１次元チューブ）による量子気体の分裂および両チューブ間のトンネリングなどは、実際に干渉や輸送を行うに際には重要なツールになるが、トンネリング自体は系の可積分性を崩してしまう。そこで、可積分性が破れた１次元ボソン系で散逸が起こるのかどうかを調べるため、１次元ボース気体にはじめ熱的に非平衡な運動量分布を与え、時間の経過とともに運動量分布がどのような変化を示すか詳細に調べた。
我々自身の先行研究では、接触型相互作用を行う純粋な１次元ボース気体では、最初に生成した熱的に非平衡な運動量分布は極めて長時間にわたり変化することなく維持されており、系は熱平衡状態には至ることはないという結果が得られていた。これはこの系が可積分系とみなしてよいことを示している。そこで系がもつ可積分性を崩す非可積分項として、１次元チューブ間にトンネリングを誘起させ、その後のダイナミクスを観測した。実験では、まず２次元光格子の節に相当する軸状のチューブ内に BEC を誘導し１次元系を生成した。次に、チューブ軸に沿って別の光格
子ビームを２回、短時間のパルスを適当な時間間隔をあけて照射し、原子集団を２度回折させて、±2ħk（k は定在波の波数）の運動量をもつ熱平衡から極めて遠く離れた非平衡状態を生成した。
その後、各原子は軸に沿った弱い閉じ込めポテンシャルの中で周期運動を行いながら、他原子との衝突（区別は出来ないが反射と透過を含む）を繰り返す。この周期運動の際、チューブ間にトンネリングが起こりうるようチューブ内への閉じ込めを弱め、１周期平均した運動量分布が時間の経過とともにどのように変化していくかを調べた結果が図１のｂ）～ｄ）である。トンネリングが無視で172

運動量分布 (arb. unit)

きる純粋な１次元系の場合（図 1 a））には、15τ後の運動量分布から粒子のロスなどを考慮し 40
τ後の分布を計算すると、実測した分布と極めてよく一致し熱平衡化は起こらないと判断できる。
一方、トンネリングが起こる場合は、各原子が周期運動を重ねるにつれて、運動量分布が熱平衡時に得られる幅の狭いガウス関数形に近づき、明らかに緩和していることがわかる。

a)
1τ
15τ
40τ
-2ħk

2ħk

b)

-2ħk

1τ

c)

-2ħk

2ħk

15τ

2ħk

d)

-2ħk

40τ

2ħk

図１ 非平衡な運動量分布を与えた後の運動量分布の時間経過。τは１次元の軸方向の運動の周期を表す。a) トンネ
リングが無視できる純粋な１次元系。 閉じ込めの深さ11μK、b)~d) 閉じ込めが弱く（3.8μK）、１次元チューブ間にトンネリングが起こる場合。

Thermalization Rate(per collision)

熱平衡状態へのレートは、１次元への閉じ込めを弱くしトンネリングを起こしやすくするほど大きくなり（図 2）、閉じ込めを弱くした極限では、最初 1 次元方向にのみ保持していたエネルギーは、３次元方向に均等に分配されている。
トンネリングにより平衡状態への緩和が誘発されることが明白になったが、その緩和機構そのものは完全には解明されていない。我々の実験条件下では、２体の原子の衝突のみでは、チューブ間のトンネリングレートを増大させるほど十分なエネルギーは解放されず、従って、現時点では、２体の衝突ではなく３体の衝突とトンネリングが関与している、という結論に達した。このシナリオを確かめるには、より複雑な理論計算が必要であり、現在もなお理論グループとの共同研究
Tunneling energy (pK)が続いている。また、実際の実験では閉 図２ 熱平衡状態への緩和レート/衝突とトンネリングエネルギーJ の関係。
Jと閉じ込めの深さUとは、J ∝ e-U の関係がある。
じ込めの深さがおよそ 8μK（トンネリング
エネルギー < ～10μK）より大きくなると、運動量分布の変化は非常に小さく、装置系の分解能と同じレベルになるため、本当に熱平衡状態に向かっているのかどうかの判定が難しくなる。そのため、現時点では 8μK という値を閾値とみなせるかどうかは結論が下せていない。閾値の存在の有無は、古典論での KＡＭ理論の重要な帰結が、実際の量子多体系にも適用できるかを決める
重要な問題であり、この問題も引き続き検討中である。
（２）純光学的ボース＝アインシュタイン凝縮（BEC）の生成への準備
米国より帰国後、光格子中の冷却原子気体を中心テーマとした自らの実験グループを立ち上げ、必要な装置系の再構築を行っている。BECの高速生成による測定の高効率化とスピノール
BECへの展開、さらに高分解能のイメージングを可能にするために、光学ガラスセル中での純光学的手法によるBECの生成をまず目指した。ガラス製キャピラリープレートによりコリメートされた
Rb原子ビームを生成、これを周波数チャ―プによりドップラー冷却して光学セルに誘導し、磁気光学トラップ（MOT）内に捕獲した（図３）。MOT内へは 108個/sのレートで、およそ 80μKに冷却された原子集団が捕獲できた。さらに、MOTを圧縮した後、３次元の光格子内へと送り込み、そこで偏光勾配冷却を行うことを予定している。必要な高出力光源の製作と光双極子トラップへの準備も終えており、現在、実験を進行中である。

173

図３

強光度蛍光イメージングによるMOTの観測

５．自己評価
本研究課題は BEC 後に原子集団を光格子中に誘導し、そこで発現する物性現象を研究するもので、当然 BEC の生成が前提となっている。米国から帰国後、実験を一から再び立ち上げる必要があったため、当初予定していた研究課題を軌道修正してもさきがけ期間内に遂行するには、困難になってしまった。立ち上げを行いながら、米国でやり残した仕事を完成させたかったが、解析は複雑かつ難しく、学会や会議などで発表は行っていても、論文としてまとめ上げるまでには現時点でも至っていない。ただ、光格子に関する研究は多くの可能性をもっているが、本研究のように系の可積分性に着目し、非可積分項の印加と操作によって非平衡過程の解明を目指した研究例はなく、熱平衡から遠く離れた状態という物理の未開拓分野に、新たな実験的アプローチがあることを示せたのではないかと考えている。
６．研究総括の見解
情報の媒体として冷却原子を利用する新技術の開発が期待され、本研究では光格子中の冷却
原子の流れや輸送に関する物理を探求することに取り組んだ。具体的には、欠陥などを含まない
極めてクリーンな物質波の導波路としての１次元ボース気体の、非平衡ダイナミクスの物性現象観測を目標に研究を行った。
接触型相互作用を行う純粋な１次元ボース気体において、最初に生成した熱的に非平衡な運動量分布は極めて長時間にわたり変化することなく維持されこの系が可積分系とみなしてよいことを見出し、一方、トンネリングが起こる場合は、各原子が周期運動を重ねるにつれて、運動量分
布が熱平衡時に得られる幅の狭いガウス関数形に近づき、トンネリングにより平衡状態への緩和が誘発されることを見出した。今後、この緩和機構の解明、閉じ込め深さの閾値検討などが必要であるが、解析は複雑かつ難しく、学会や会議などで発表は行っていても、論文としてまとめ上げるまでには至っていない。ただ、光格子に関する研究は多くの可能性をもっているが、本研究のよ
うに系の可積分性に着目し、非可積分項の印加と操作によって非平衡過程の解明を目指した研究例はなく、熱平衡から遠く離れた状態という物理の未開拓分野に、新たな実験的アプローチがあることを示せたのは意義あることである。
現在立ち上げている実験系にて、BEC 後に原子集団を光格子中に誘導し、そこで発現する物
性現象の研究成果に期待する。
７．主な論文等（Ａ）さきがけ個人研究者主導で得られた成果で主なもの（１）論文（原著論文）発表
・木下俊哉、“光格子を利用したアトムトロニクスのためのデバイス開発”
レーザー学会誌 レーザー研究、2009 年１月号

174

（２）学会発表
・木下俊哉, Trevor Wenger，Jean－Felix Riou，Zhongyao Sun，David S. Weiss、 “可積分性が破られた 1 次元ボーズ気体の振る舞い”、日本物理学会 第 62 回年次大会 2007 年 9/21 24 北海道大学（３）招待講演・Toshiya Kinoshita、 “Experiment with One Dimensional Bose Gases” （Invited Talk）
Nagoya Workshop on “Superfluidity and microscopic properties on quantum atomic assembly”
October 10, 2008 at Nagoya University, Nagoya
・木下俊哉、“Experimental Studies of One Dimensional Bose Gases” (Invited Talk)、特定領域研究 「スーパークリーン物質で実現する新しい量子相の物理」 、平成 20 年度研究成果報告
会、December 19 - 21, 2008 奈良県新公会堂（奈良市）
・木下俊哉、 “Non-Equilibrium 1D Bose Gases” （レビュー招待講演）、基礎物理学研究所研究会 「熱場の量子論とその応用」、2009 年 9 月 3 - 5 日 京都大学 基礎物理学研究所
・木下俊哉、 “Non-Equilibrium 1D Bose Gases” （招待講演）、第２回『アインシュタインの物理』
でリンクする研究・教育拠点研究会、2009 年 10 月 23 - 24 日 大阪市立大学 学術情報センター

175

研究課題別評価書
１．研究課題名「光技術による生体幹細胞の分化制御 －再生医療実現化にむけた光技術の創成－」
２．氏名
櫛引 俊宏
３．研究のねらい
再生医療で話題となる幹細胞は、生体組織や臓器に成長する元となる細胞であり、幹細胞を利用した再生医療の実現化は 21 世紀の臨床医学における悲願の一つである。幹細胞は、ある細胞に変化するようにという“指示”を受けると特定の細胞に変身、すなわち分化する能力を持っている。また、変化を遂げる前の未分化の状態で長期間にわたって自らを複製、再生する能力も備えている。胚からは胚性幹細胞（ES 細胞）、成人からは成体幹細胞を採り出すことができ、最近では iPS 細胞が話題となっている。幹細胞は様々な細胞へ分化する能力と高い増殖能力を持つため、失われた細胞を再生して補うという治療法（再生医療）への応用が期待されている。パーキン
ソン病、心筋梗塞、脊椎損傷、白血病、糖尿病、肝臓病など様々な病気の治療への応用が期待され、一部は既に臨床治験が始まっている。しかしながら、再生医療があと一歩で現実的なものとならない理由の一つとして、幹細胞をそのまま患者に移植してもほとんど効果が無いことがあげられる。治療効果が無いだけではなく、移植前に長期間培養した幹細胞が癌細胞化したという報告もある。現在、細胞機能の制御方法として、トランスジェニックやノックアウトをはじめとした遺伝子工学技術や薬剤添加による方法などが行われている。再生医療に有望な幹細胞などが有する機能を非侵襲的に制御することは、疾病の治療・予防にとどまらず、基礎生物医学実験などにも有用なツールとなる。そこで、この幹細胞に安全に“指示”を与える方法として光技術を応用することが本研究の目的である。本研究では、これまでに得られている結果をもとに、赤外、可視光、紫外のみならず広範な領域の光を用いた幹細胞への“指示”とそのメカニズムの解明を行い、再生医療実現化へブレークスルーとなる光技術を創成し提案する。
４．研究成果
波長 405 nmの半導体レーザーを用い、培養骨髄間葉系幹細胞株へレーザー照射を行った。プ
レート底面に接着している細胞へ直接レーザーを照射するため、本実験ではプレート底面からレーザーを照射する光学系を作製した。培養骨髄間葉系幹細胞に 0、100、200、300 mW/cm2で 3 分
間、波長 405 nm半導体レーザー（連続波）を照射した後、培地を骨分化培地（10 nMデキサメタゾ
ン、2 mM ・-グリセロリン酸、50 µg/mLアスコルビン酸および 10 %FCSを含む）に交換し、5 日間培養した。Fig. 1 に種々のエネルギーで骨髄間葉系幹細胞に照射した後の骨芽細胞への分化を確認した結果を示した。波長 405 nmレーザーを培養骨髄間葉系幹細胞へ照射した結果、レーザー
未照射群と比較してレーザー照射群の骨芽細胞への分化が促進された。すなわち、アリザリンレ
ッドS染色によりカルシウムの沈着が認められた。またリン酸カルシウムの染色方法であるvon
Kossa染色を行なった結果についても同様に、レーザー照射群にリン酸カルシウムの沈着が認められた。さらに骨芽細胞分化マーカーであるアルカリフォスファターゼおよびオステオカルシンの免疫染色においても同様の結果を得た。また、各培養ウェル中のカルシウム濃度を定量した結果を示した結果、照射するレーザーエネルギーに依存してカルシウム量が増加した（Fig.2）。

176

Fig.1 Histochemical analysis of laser irradiated mesenchymal stem cells(MSCs). Calcium deposition was evaluated by alizarin red-S staining(magnification: x50) at 5 days post-irradiation. Calcium deposition
had increased around the cells in a dose-dependent manner. Calcium
phosphate deposition was evaluated by von Kossa staining(magnification: x50). At 5 days after treatment, staining increased
with increased laser energy. The area expressing alkaline
phosphatase (ALP) activity was stained (magnification: x50). Laser
irradiated samples displayed immunopositive staining for osteocalcin,
a marker of osteoblast differentiation (magnification: x100). Scale bars
= 200 (for Alizarin red-S, von Kossa, and ALP staining) and 100µm(for osteocalcin immunostaining).

177

Fig.2 The quantitative calcium content increased after laser irradiation
relative to non-irradiated cells. Calcium content increases varied withlaser energy. *, p<0.01: significant difference between the calcium
content of laser-irradiated MSCs and controls.
さらにレーザーを用いた幹細胞分化の促進効果として、軟骨細胞への分化促進効果についても確認した（Fig.3）。すなわち、軟骨前駆細胞へレーザー照射後、軟骨分化に伴い増加するコラー
ゲン量の増加が認められ（Fig.3a）、軟骨分化に関与する各種 mRNA の発現増加が観察された（Figs.3b-e）。一方、脂肪細胞への分化はレーザー照射により抑制されるという結果を得た（Fig.4）。

178

Fig. 3 (a) Laser irradiation enhanced the total collagen contents in ATDC5
cells 14 day after laser irradiation. *, p<0.01: significant difference
between the total collagen contents of laser irradiated cells andnon-laser irradiated cells. (b-e) Increased mRNA expression of earlyand mature chondrocyte matrix gene [aggrecan (b) and collagen type
II (c)] and positive transcription factors for chondrogenesis [SOX-9(d) and DEC-1 (e)] by laser irradiation on chondrogenesis. *, p<0.01:
significant difference between the relative mRNA levels of laser
irradiated cells and non-laser irradiated cells.

179

Fig. 4 Staining with oil red O demonstrates that laser irradiation decreased
adipogenesis relative to non-irradiated areas (magnification: x50).
Higher magnification (x400) is shown in frame. Scale bars = 200 µm.
現在、そのメカニズムを司る因子として、青色光を受容することが知られている細胞内体内時計タンパク質・クリプトクロムについて着目し詳細な解析を進めている。さらに、レーザー照射による細胞内活性酸素種の発生がクリプトクロムなどの細胞内生理活性タンパク質を制御していることも明らかにしつつある。
幹細胞以外へのレーザー照射による細胞機能制御
上述の幹細胞だけではなく、種々の細胞種に対してレーザー照射を行い、その機能制御を試みた。ヒスタミンは生体内で過剰分泌されるとアレルギー反応を引き起こす一方で、血管透過性
亢進作用や血管拡張作用などの薬理作用も有する。そこで、波長 405 nmのレーザー照射後の肥満細胞からのヒスタミン分泌促進作用について研究を行った。その結果、レーザー照射 30 分後の上清中のヒスタミン濃度は照射パワー密度及び照射時間依存的に上昇することが分かった（Fig.5）。そこで肥満細胞のヒスタミン分泌に関わる細胞内カルシウムイオン濃度を測定したところ、レーザー照射群は非照射群と比較して細胞内カルシウム濃度が有意に増加していた（Fig.6）。カ
ルシウムイオンの細胞 内流入を促 進する因子 の一つとし て活性酸素 種（Reactive Oxygen
Speicies; ROS）が関わっていることから、細胞外に発生しているROSの発生量を測定した結果、レーザーを照射すると非照射群と比較して有意にROS発生量が増加していることが明らかになった（Fig.7）。これらの結果から、レーザー照射により発生したROSがカルシウムイオンチャネルに酸化作用を及ぼし、カルシウムイオンの流入促進と脱顆粒によりヒスタミン分泌が促進されている可能性が考えられた。

180

Fig. 5 The histamine secretion from mast cells were increased after laser
irradiation.

Fig. 6 Intracellular calcium level was increased after laser irradiation.

181

Fig. 7 Reactive oxygen species were generated after laser irradiation.
一方、膵β細胞からのインスリン分泌量低下によるⅡ型糖尿病に対して食事・運動療法や薬剤
またはインスリン投与による治療が行われているが、本研究では、培養膵β細胞に、波長の異なる可視域波長のレーザーを照射し、レーザー照射後のインスリン分泌量を測定した。レーザー光
は波長 405 nm、664 nm、808 nm の 3 種類を用いた。グルコース濃度応答性を示すマウスインスリ
ン分泌性膵β細胞株にレーザー照射 1 時間後に上清を回収し、インスリン濃度を ELISA 法により測定した。その結果、波長 405 nm のレーザーを照射した場合、レーザー未照射群に対して、照射
パワー密度の増加に伴い上清のインスリン濃度は減少した。一方、波長 664 nm 及び 808 nm レー
ザーを照射した場合、レーザー未照射群に対して、上清中のインスリン濃度は増加した（Fig.8）。

Fig. 8 Insulin secretion was enhanced when the laser (wavelength; 664 and808 nm) was irradiated. On the other hand, insulin secretion was
inhibited when the laser (wavelength; 405 nm) was irradiated tomouse islet of Langerhans β cells.
さきがけ研究期間ではレーザー照射による細胞機能変化について幾つかの結果を得ることが182

できたが、その詳細なメカニズムは現在も解析中である。本研究ではレーザーを用いた細胞の分化制御（促進）またはサイトカインや生理活性物質の発現制御という新しい細胞機能制御プロセスを提案することができている。これら細胞生理機能をレーザー照射により制御することができれば、疾病の新しい治療方法としてだけではなく、細胞機能の役割解明にレーザーが有用なツールとなると考えている。

５．自己評価
本研究期間においては、幹細胞だけではなく、肥満細胞や膵・細胞といった幅広い細胞種を取り扱い、その機能変化の研究を行うことができた。本研究期間中にできなかったことは光側の条件を多く用いることである。光照射後の生理活性解析量が莫大であったため、主に波長 405nm の連続波レーザーを用いた研究を行ってきたが、今後は、幅広い波長の光だけではなく、レーザーのパルス幅や照射タイミングについての検討も行いたい。本研究期間中ではヒトへの応用に向けた研究を行うことができ、研究開始当初の予想よりも早いスピードで研究が進んだ。このことは、研究総括・アドバイザーの先生方からの的確なご指導や JST の強力なバックアップとご支援があって達成できていることは疑いない。本研究において強く感じたことは、細胞は必ず光に反応する（遺伝子またはタンパク質の発現レベルで変化が起きる）と言うことである。勿論、光照射条件や解析方法により得られる結果や解釈は異なるが、生命誕生当初より生物が利用してきた光エネ
ルギーを人類の疾病診断・治療に用いることを今後の目標として研究を進めたい。
６．研究総括の見解
再生医療において、幹細胞などが有する機能を非侵襲的に制御し安全に“指示”を与える方法
として光技術を応用する事を目標に研究を行った。
本研究では、これまでに得られている結果をもとに、赤外、可視光、紫外のみならず広範な領域の光を用いた幹細胞への“指示”とそのメカニズムの解明を行い、再生医療実現化へブレーク
スルーとなる光技術を創成し提案している。理論的で緻密な研究手法により、研究成果としてレーザーを用いた細胞の分化制御（促進）、生理活性物質の発現制御という新しい細胞機能制御プロセスを提案することができている。中でも、軟骨細胞への分化促進効果確認、骨髄間葉系幹細胞にレーザー照射した後の骨芽細胞への分化確認など、レーザーを用いた幹細胞分化の促進効果の確認と光条件の抽出は特筆すべき成果である。
研究成果は主要論文５件に纏められており、「文部科学大臣表彰 若手科学者賞」、「日本レー
ザー医学会総会賞」などを受賞している。また、成果への注目度も高く、招待講演、解説論文も多数に上り、Marquis Who's Who in the World にも選ばれている。
細胞は光に反応し、光照射により遺伝子またはタンパク質の発現レベルで変化が起きることが本研究で確認されたが、細胞生理機能のレーザー照射制御は新しい疾病治療方法であると共に、細胞機能の役割解明ツールとしても期待できる。光技術を安全に生体に適応できることを目標に、細胞内に存在する光受容体に適応した光技術応用開発を期待する。
７．主な論文等（Ａ）さきがけの個人研究者が主導で得られた成果（１）論文（原著論文）発表

183

・ Kushibiki, T., Tajiri, T., Ninomiya, Y., Awazu, K.,: Chondrogenic mRNA expression inprechondrogenic cells after blue laser irradiation. J Photochem Photobiol. In press (2010)
・Kushibiki, T.: Photodynamic therapy induces microRNA-210 and -296 expression in Helacells. J Biophotonics. In press (2010).
・Kushibiki, T., Awazu, K.: A blue laser irradiation enhances extracellular calcification of primarymesenchymal stem cells. Photomed Laser Surg. 27: 493-498 (2009).
・Kushibiki, T., Awazu, K. Controlling osteogenesis and adipogenesis of mesenchymal stromalcells by regulating a circadian clock protein with laser irradiation. Int J Med Sci. 5:319-326(2008).
・Kushibiki, T., Awazu, K.: Enhancement of osteoblast differentiation by regulating circadianclock protein, Cryptochrome, with blue-violet laser irradiation to mesenchymal stromal cells.
Jpn J Laser Surg Med. 28: 91-96 (2007).
（２）総説・解説論文
・櫛引俊宏．光が働きかける細胞機能．レーザー治療学会誌 8: 10-14 (2010).
・ 櫛引俊宏 ．生体への低出力レーザー光照射がおよぼす作用．オプトニューズ 3: 26-31(2009).
・櫛引俊宏、粟津邦男．レーザーによる生体細胞・組織の再生と制御．光アライアンス（日本工業出版）: 19-4 (2007).
・櫛引俊宏、粟津邦男．レーザーによる骨髄幹細胞の分化促進とそのメカニズム．日本レー
ザー医学会誌 28: 117-121 (2007).
・櫛引俊宏、粟津邦男．レーザーによる骨分化促進作用とそのメカニズム解明へのアプロー
チ．医学のあゆみ 227: 602-603 (2007).
（３）受賞
・2008 年 4 月
平成 20 年度 文部科学大臣表彰 若手科学者賞
表彰業績名；ドラッグデリバリーシステムと光技術による生体幹細胞の分化制御に関する研究表彰主催団体名；文部科学省
・2007 年 5 月
第 31 回レーザー学会奨励賞
表彰業績名；「レーザーによる生体幹細胞の分化制御とそのメカニズム」
表彰主催団体名；（社）レーザー学会
・2006 年 11 月 平成 18 年度日本レーザー医学会総会賞
表彰業績名；「レーザーによる生体幹細胞の分化制御とそのメカニズム」
表彰主催団体名；日本レーザー医学会（４）新聞・広報誌
・ Marquis Who's Who in the World 27th Edition
・ Marquis Who's Who in Medicine and Healthcare 2009-2010 Edition
・ Marquis Who's Who in the World 26th Edition（５）招待講演・櫛引俊宏: 光が働きかける細胞機能－生命科学・医学とのかかわり－. 第 21 回日本レーザー治療学会 (2009.7.4-5 神戸).

184

・ 櫛 引 俊 宏 : 光 技 術 を 用 い た 細 胞 機 能 制 御 . 第 29 回 日 本 レ ー ザ ー 医 学 会 総 会(2008.11.15-16 東京).
・櫛引俊宏: レーザーによる生体細胞・組織の再生と制御. Laser EXPO 2007 (2007.4 横浜)
・櫛引俊宏: 光技術による生体幹細胞の分化制御. 第 3 回次世代バイオマテリアル若手研究会 (2007. 2.2 京都).
・櫛引俊宏: 生体幹細胞分化制御のための光技術の創成. レーザー学会学術講演会第 27
回年次大会 (2007.1.17-18 宮崎).

185

研究課題別評価書
１．研究課題名「光子数確定パルスの空間制御理論」
２．氏名
越野 和樹
３．研究のねらい
光子は量子コヒーレンスを長時間保持することができるため，量子情報処理をはじめとする次世代量子技術の実装に最適の物理系である．よって，光子を意のままに操作する諸技術（オンデ
マンド生成，光子による光子の制御，高効率検出）の開発が急務である．本研究では，物質の有する光学非線形性を活用した光子操作技術の可能性を，理論面から追求する．
光子群の非線形光学応答を定量的に評価するための理論には，次の二点が必須である．(ⅰ)一般に非線形光学効果は，電場すなわち光子パルスの時空間形状に敏感である．よって，光子場の連続多モード性を厳密に導入する．(ⅱ)単一光子のような光子数確定状態は，古典光学の枠を超えた純量子力学的状態である．よって，物質系のみならず光も量子論的に扱う．これら二点を具備した『量子非線形光学理論』を展開し，量子多体問題の観点から従来の光学応答理論を見つめなおすとともに，次世代量子技術に直結する光子操作手法の提案を目標とする．
４．研究成果Ⅰ．光子非線形動力学の新解析手法の開発 ―古典パルス光の活用―
光子の光学応答，特に非線形応答を定量的に解析するための『量子非線形光学理論』には，「光子場を連続多モード場として取り扱うこと」「光・物質双方を量子力学的に扱うこと」の二点が必須である．しかし，この厳密な枠組みには「光子数の増加に伴い，ファインマン図形や数値計算量
が指数関数的に増加する」という困難があり，これまで着手不能であった．一方で，古典光パルスの光学応答を解析する際には，光を古典電磁場として扱い物質のみを量子力学的に扱う『半古典理論』が有効であり，前者に比べて遥かに数値的負担が少なくて済む．そこで本研究では，二つの理論の関係を考察し，数値的負担の少ない『半古典理論』の拡張として『量子非線形光学理論』を遂行するための処方箋を示した．
古典光は，量子力学的には様々な光子数の重ね合せ状態（コヒーレント状態）として記述される．
よって，量子光学の観点からは，半古典理論は「様々な光子数での動力学を同時進行させ，電場期待値を評価している理論」と解釈される（図１）．また，動力学に関与している光子数は，摂動次数に反映される．これらの事実を組み合わせると，二光子が非線形媒質を透過する際に獲得する『非線形位相シフト』を次の方法で評価することができる：古典パルス入射に対して，半古典理論
により出力パルスの線形成分・三次非線形成分を求め，両者の重なり積分の位相を求める．この方法では，二光子という非古典状態を取り扱うにも関わらず，古典光の光学応答を計算することによって，興味ある物理量を厳密に抽出できるという面白みがある．

状態ベクトル（コヒーレント状態）

光学的ブロッホ方程式

シュレーディンガー方程式

入出力関係式

電場期待値

半古典理論

量子光学理論

入射パルス

出力パルス
図１ 古典パルス光入射に対する，量子光学理論と半古典理論の流れの比較．

186

一方，半古典理論では，光子群の完全な情報（多体波動関数）を電場振幅（一点相関関数）に縮約してしまっているため，上述のアイディアが適用できる対象は，非線形位相シフトなど僅かな種類の物理量に限定されてしまう．そこで，計算対象を一点相関関数から多点相関関数に拡張することにより，光子群の完全な情報である多体波動関数を，次のようにして求めることができる：古典パルス入射に対して，出力パルスの多点相関関数を最低次摂動により求め，規格化する．この手法は，二次非線形過程など光子数が非保存の状況も含め，一般的な光学過程にも適用可能であり汎用性が高い．
この手法の応用例として，Ｎ光子が同時にカー媒質（ここではニ準位量子系）に入射した場合の解析結果を示す．既存の現象論では，光子パルス形状は不変のまま，光子数の 2 乗[～Ｎ（Ｎ＋１）]に比例する非線形位相シフトが得られると予言する．一方，本手法による厳密解析のもとでは，現象論の予想よりも小さな位相シフトしか得られないことや，光子数増加に伴うパルス形状乱れを正確に評価することができる（図２）．これらの結果は，光子デバイス設計の際の定量的指針としての，本手法の有用性をデモンストレートしている．
1(a)Inout(r; t) (unit: 2/d)

Nonlinear Phase Shift (rad)

1
−1

10

−2

10

−3

10

2

3

4
5
6
Photon Number n

7

0.8
0.6
0.4
0.2
0

8

(b)

−3

−2.5

−2

−1.5

−1

−0.5

0

r−t (unit: Γ )図２ （a）入射光子数の関数としての，非線形位相シフト．緑点線は現象論による予想[～Ｎ（Ｎ＋１）]，データ点は厳密理論による値．（b）光子パルス形状の乱れ．点線：入射パルス，赤実線：１
光子出力，緑実線：８光子出力．
−1

古典パルス光に含まれる光子群は，時間的相関を持たない．よって，上述の方法は，入射光子群が古典パルス対応を持つ無相関光である場合にのみに有効であり，時間相関のある光子群（例：パラメトリック下方変換光子対など）に対しては使えないように見える．しかし，「時間相関のある光子群は，δ関数的に時間的に局在した光子群の重ねあわせとみなせる」「δ関数的光子には古典対応がある」といった事実から，δ関数的古典パルスの光学応答の解析が，光子群の伝
播関数計算に活用できることがわかる．
Ⅱ．単一光子フィルタ
光子を意のままに生成することは，古典パルス生成と比較すると圧倒的に難しい技術であるため，単一光子レベルにまで弱めた古典パルスを光子の代替品として用いることが多い．しかしながら，量子情報処理においては，古典パルスに含まれる多光子成分が盗聴など誤作動の原因となる．よって，古典パルスから，一光子成分を高く保ちつつ多光子成分のみを効率的に除去する必要が生じる．本提案では，共振器とニ準位量子系とを結合させた『共振器ＱＥＤ系』により，上記機能を有する『単一光子フィルタ』を提案した．
ニ準位系からの輻射には高々１個の光子しか含まれないため，「古典パルス入射によりニ準位系を励起し，入射光との隔離を保ちつつ，ニ準位系からの輻射を高効率で取り出す」ことが単一光子フィルタの設計指針となる．本装置のセットアップは図３（a）のとおりである：ニ準位系を内包
した両側共振器の片側から古典パルスを入射し，反射側を出力ポートとする．共振器からの散逸

187レートがラビ振動数よりも大きな「弱結合領域」においては，入射パルスのほとんどが透過方向に抜けニ準位系からの輻射のみが反射方向に出力される，という状況が実現されるので， 出力ポ
ートには高々一個の光子しか放出されない．図３（b）に，平均光子数１の古典パルスを入射した
場合の，入出力パルスの光子統計を示す．入射パルスにおいては，１光子確率P1と多光子確率
Pm (=P2+P3+…) はそれぞれ(0.37, 0.26)であるが，出力パルスでは(0.32, 0.01)となり，１光子成分を保持したまま多光子成分のみを効率的に除去していることがわかる．

(a)Probability( )Reflected Photons(Output)

cavity+atom

(b)

0.6

Classical Pulse(Input)0.4

0.2

Transmitted Photons
0
0

1

2

3

4

Photon Number

図３ (a)単一光子フィルタのセットアップ．ニ準位系を内包する両側共振器の片側から古典光パ
ルスを入射し，反射側を出力とする．(b)入力・出力パルスの光子統計．出力（赤実線）では，入力（細点線）に比べ多光子成分が大きく抑えられている．
Ⅲ．光子による光子の制御 ―決定論的な二光子量子ゲート―
光子により光子を制御し「二光子量子ゲート」を実現することは，量子情報処理においてここ２０
年間最も期待されている要素技術であるが，非線形効果を介した光子間相互作用が極めて弱い
ために，大変難しいと思われてきた．これまでに，線形光学素子のみを用いて確率的にゲート動作させる提案がなされてはいるが，その確率的性格のためにスケーラブルな量子回路への拡張が原理的に不可能である．ここでは，現実的な物理系を使い，決定論的な（効率１の）二光子制御
ゲートを実装する手法を提案した．
用いる物理系は，一次元的に伝播する光子と，反射型配置で相互作用する縮退Λ型三準位量子系である[図４(a)]．この物理系の特筆すべき点は，Λ系の２つの崩壊レート（|2>→|0>，|2>→|1>）が等しい場合に，決定論的なラマン過程を誘起しうる点である．すなわち，状態|0>のΛ系が縦偏光光子を吸収し，横偏光光子を放出して状態|1>に緩和する（或いはその逆）という過程が，確率１で起こる．この現象の原理は，両側共振器における共鳴トンネリングと同様の「入射光とΛ系からの輻射の負の干渉」であり，一次元光子に特有のものである．
この系は，光子―Λ系間の『量子状態交換ゲート』として活用可能である．Λ系が状態|0>（|1>）のときには横（縦）偏光光子と相互作用しないことと，上述の決定論的ラマン過程に注意すると，光子の偏光qubitとΛ系の基底状態qubitとが，反射により完全に交換することが容易に確認できる．また，入射光子のエネルギーがΛ系の共鳴から若干ずれている場合には，量子状態を「半分だけ」交換させることもできる．これらを組み合わせ，図４(b)のように三つの光子を共鳴→非共鳴→共鳴の順に連続して入射させることによって，二光子間の『(SWAP)1/2ゲート』を構築することも可能である．(SWAP)1/2ゲートは，構築のきわめて容易な一光子ゲートと併せて，あらゆるユニタリ変換を構築できることが知られている（ユニバーサル・ゲートセット）．よって，光子qubitのみで量子計算を行うための鍵となる『二光子制御ゲート』を，現実的物理系で実装することができる．

188

(a)

α0 H +α1 V

β0 0 +β1 1(b)2

input qubits

H
1

0

3

{

V

r

2

1

2

r

V
0

r
0

β0 H −β1 V

1

H

2

1

3

{

2

V

H

output qubits

1

α0 0 −α1 1

図４ (a) 光子―Λ系間の『量子状態交換ゲート』．一次元的に伝播する光子と，縮退Λ型三準位
量子系とが反射型配置で相互作用する．一回の反射により，光子の偏光qubitとΛ系の基底状態
qubitとが完全に入れ替わる．(b)二光子間『(SWAP)1/2ゲート』．光子１・３はΛ系に共鳴，光子２は非共鳴．入力qubitは光子１・２，出力qubitは光子２・３．
５．自己評価
本研究の目的は(ⅰ)「光子場の連続多モード性」「光・物質双方の量子化」を具備した『量子非線形光学』の解析手法の開拓，および(ⅱ)それに基づく光子操作諸技術の理論的提案，であった．
それぞれの課題に対する自己評価は以下のとおりである．
(ⅰ)に関して：本研究では，古典光に対する非線形光学理論の拡張（電場＝１点相関関数から，多点相関関数へ）という着想を活用し，量子非線形光学理論に付随する技術的困難を解決することができた．提案した方法は，「数値計算量を劇的に減らして解析可能な問題の対象を拡げた」という直接的な利点に加え，「長年に亘り蓄積されてきた非線形光学の知見を，量子光学領域へス
ムースに転用できる」という長所を併せ持つ実用的価値の高い手法であり，『量子非線形光学理論』に対する壁を取り払った独創的貢献であると自負している．
(ⅱ)に関して：次世代量子技術，特に量子情報処理に必須の光子操作技術である「単一光子フ
ィルタ」「決定論的な二光子間量子ゲート」を提案した．これまでの決定論的二光子ゲートの探索の基本方針は，「光子間の微弱な非線形効果を最大限に活用する」であった．しかしながら，この方針では，光子パルス形状の歪みのために，忠実度の高いゲート構築が原理的に不可能である．
そこで，本研究において，「光子の量子状態を物質に転写することによって，非線形性を使わずに光子間相互作用をもたらす」というアイディアを世界にさきがけて発信した．この方法では，光子パルス形状の歪みが原理的に問題にならない，物質の初期化が自動的に行われる，など実用化に向けて有利な点が多く，今後の量子ゲート構築の新しい潮流に成長する可能性があると自負している．
６．研究総括の見解
光子の光学応答，特に非線形応答を定量的に解析するための「量子非線形光学理論」での厳密解において、光子場の連続多モード性、ならびに、光・物質双方の量子化、を具備した新解析
手法開拓、ならびに、それに基づく光子操作諸技術の理論的提案を目標に研究を行った。
主たる成果は下記 2 点である。
１）新解析手法開拓：厳密解は数値計算量が指数関数的に増加する為これまで着手不可能であったが、本研究では数値的負担の少ない「半古典理論」の拡張として計算を遂行するための処
方箋を示した。本手法は、数値計算量を大きく減らし解析可能な対象を拡げた事に加え、従来の非線形光学理論を量子光学領域へ適用可能な実用的価値の高い手法となっている。
２）光子操作技術の提案：「光子の量子状態を物質に転写することによって，非線形性を使わずに光子間相互作用をもたらす」というアイディアを世界にさきがけて発信し、次の 2 案の有用性検189

証を行った。
①光子を意のままに生成する「単一光子フィルタ」②光子により光子の制御を行う「二光子量子ゲートとその制御方法」
理論的で独創的な研究手法により、実用的価値の高い手法ならびに実用化を見据えた操作技術を提案する成果を得たことは高く評価できる。研究成果は、主に 10 件の原著論文に纏められ、
日本物理学会若手奨励賞受賞の評価を受けている。
本研究で開発、提案された手法は実用化に向けて有利な点も多く、国内外の実験チームとの共同研究などを通じて，新奇量子デバイスの開発に結びつけて行くことを期待する。
７．主な論文等（Ａ）さきがけ個人研究者主導で得られた成果で主なもの（１）論文（原著論文）発表
・ K. Koshino: "Novel Method for Solving the Quantum Nonlinear Dynamics of Photons: Use of aClassical Input", Phys. Rev. Lett. 98, 223902 (2007).
・ K. Koshino, "Single-photon filtering by a cavity quantum electrodynamics system", Phys. Rev.
A 77, 023805 (2008).
・ K. Koshino: "Multiphoton wave function after Kerr interaction", Phys. Rev. A 78, 023820(2008).
・ K. Koshino: "Down-conversion of a single photon with unit efficiency", Phys. Rev. A 79,
013804 (2009).
・ K. Koshino: "Conditional sign flip of two photons without pulse distortion", Phys. Rev. A 80
023813 (2009).
（２）受賞
・2007 年 9 月 日本物理学会第 1 回若手奨励賞
表彰業績名；「量子ゼノ効果と測定問題の理論的考察」
表彰主催団体；（社）日本物理学会（３）招待講演・ 越野和樹: "一般的量子測定による量子ゼノ効果 ～射影測定を超えて～", 日本物理学会,
2007.09.23.
・ K. Koshino: "Translation of semiclassical optical-response theory into quantum-optics
theory", 2008 International Conference on Excitonic Processes in Condesed Matter,2008.06.25.
（４）学会発表（国際会議講演）
・ K. Koshino: "Use of classical input for solving two-photon nonlinear dynamics", CLEO/Europe
IQEC 2007, 2007.06.19.
・ K. Koshino: "Single-photon filtering using a two-level system in a two-sided cavity", 8thInternational Conference on Physics of Light-Matter Coupling in Nanostructures, 2008.04.10.
・ K. Koshino: "Extraction of Single Photons by a Cavity-QED System", Quantum Electronics
and Laser Science Conference (CLEO/QELS 08), 2008.05.06.
・ K. Koshino: "Conditional sign flip of a two-photon pulse with unit fidelity", CLEO Pacific RIM
2009, 2009.08.31.

190

研究課題別評価書
１．研究課題名「プラズモニック・メタマテリアルの創製と新奇光デバイスへの展開」
２．氏名
田中 拓男
３．研究のねらい
従来の光学や電磁気学理論では，物質の光学的，電磁気学的性質は，物質そのものに固有のものであって，物質が決まればその特性も自動的に決まってしまうといのが常識であった．本プ
ロジェクトでは、この常識を覆し，物質の光学的な性質を，人工的に導入したナノサイズの金属構造によって操作する技術と，それを用いた全く新しい人工光学材料の創製を目指す．
このような人工光学材料が“プラズモニック・メタマテリアル”であり，この技術を利用すると，可視光の磁場成分と直接相互作用する物質のように，自然界には存在しない物質を作り出すことが可能となる．そして，光の世界における物質の多様性を飛躍的に拡大することができる．
このメタマテリアルを実現する上で，現在直面している技術的課題は，メタマテリアルを構成す
る３次元的なナノサイズの金属構造を加工するのが難しい事である．本プロジェクトでは、この問題を解決する新しい金属ナノ加工技術の開発にフォーカスを絞り，さらにメタマテリアルよって生み出される新奇な光学現象の探究と，それらを利用した全く新しい光制御素子の提案・実現を目
指す．
４．研究成果（１） ３次元ナノ金属構造の作製技術の開発ー２光子還元法
プラズモニック・メタマテリアルは，波長より小さな金属共振器を基本素子とし，これを３次元的にアレイ化させた一種の光共振器アレイである．これを作製するには，(i)高い導電率を持つ金属
を，(ii)ナノサイズでデザインされた共振器の形状に加工し，(iii)これを３次元的なアレイ構造としてホスト材料中に集積化させなければならない．これら３つの要求は今日の微細加工技術にとっても困難な要求であり，それら全てを満足する技術は未だ存在しない．そこで，これら３つの要求全てに対応できる手段として，レーザーを用いて立体的な微細金属構造を３次元空間中に直接作りだす新しい加工技術の提案とその開発を行った．
研究提案者が開発した手法では，図１に示すように金属イオンをホストとなる物質中に分散させ，この材料中に近赤外の波長を持つフェムト秒チタンサファイアレーザー（波長 800nm）を集光照射する．金属イオンとは，具体的には銀イオン(Ag+）や金イオン（Au3+）である．これらのイオンはチタンサファイアレーザーの波長に吸収を持たないが，レーザーを集光してフォトン密度が高い状態を作ると，２つのフォトンを同時に吸収して２倍のエネルギーギャップ間を電子が遷移する２光子吸収が起こる．そして吸収された光のエネルギーは金属イオンを還元させて金属の析出が起こる．２光子吸収によって還元されるイオンの量は，光の強度分布の２乗に比例するので，結果的にレーザースポット部において局所的に金属還元が起こる．そして，このレーザースポットを３次元的に走査すれば，３次元的な金属構造を自在に描画することができる．
図２に本手法で作製した金属構造体の例を示す．図(a)，(b)は，銀イオンの水溶液中にレーザ
ー光を集光して，それぞれゲート構造と斜めに傾いたロッドの２つの３次元マイクロ構造体を作製

191

し，それを電子顕微鏡にて観察した結果である．どちらもガラス基板上に自立しており，物理的な強度も十分であることがわかる．図(c)はAu3+をドープしたPoly-methyl-methacrylate(PMMA)をガ
ラス基板上にフィルム状に塗布した後，その中に作製した金のメタマテリアル構造である．ホスト
材料は，単に作製した金属構造を保持するだけでなく，２光子還元法の加工分解能といった加工
特性にも影響を及ぼし，材料をうまく選定すると，空間分解能を向上できる事を明らかにした．これは，特にホスト材料中における金属イオンの移動度が，レーザースポット部で消費されるイオンの量とスポット周辺部から拡散によって流入するイオンの量との関係を決定し，これが最終的な加工分解能を決めるからである．

図１ 金属イオンの２光子光還元を用いた３次元微細金属構造体の加工法．

図２ ２光子還元法によって作製した金属構造体．
２光子還元法では金属結晶の成長がその加工分解能を大きく左右した．レーザー照射によって金属イオンが還元されて核が生成されると，その核を中心に金属の結晶が急速に成長する．この結晶はレーザーの照射を止めてもわずかに成長を続けるため，レーザー照射部位には約１μｍ程度にまで成長した金属結晶が生成され，これが加工分解能を低下させると共に，作製した金属構造の表面の凹凸の原因にもなる．この問題を解決して加工分解能の向上と加工物の表面形状の平滑化を行うことを試みた．
研究提案者は，金属イオンを含む加工材料中に n-decanoylsarcosine sodium(以下 NDSS)という界面活性剤を添加して，金属核が生成されるとすぐにこの界面活性剤の分子が核表面を覆うことで，それ以降の結晶成長を抑制し，結果として加工分解能を向上させると同時に，生成物の表面の凹凸も低下させるという手法を考案した．図３は本手法を用いて作製した銀構造のＳＥＭ写192

真である．図３（ａ）はガラス基板表面に描画した銀ラインで，最小線幅で１２０ｎｍまで細線化された．図３（ｂ）は，それぞれ４本の銀ロッドから構成されるピラミッド構造をガラス表面にアレイ状に加工したものである．各銀ロッドの線幅は約２００ｎｍであった．これらの結果が示すように，波長８００ｎｍの近赤外フェムト秒レーザーを用いた２光子還元法において，その回折限界を超える１００ｎｍの空間分解能で立体的な金属構造を作製できる新しい加工技術の開発に成功した．

図３ 界面活性剤を利用した２光子還元法で作製した３次元ナノ金属構造体（２） THｚ領域メタ実験実証
２光子還元法を利用してメタマテリアル構造を作製し，これが実際に光の磁場性分と相互作用するかどうかの検証実験を行った．作製したメタマテリアル構造は図４のように銀製のロッドペア
がアレイ状に集積化されたものである．サファイア基板上に作製したロッドペアアレイに対して，光波の磁場性分がロッドペアを垂直に貫くようにｓ偏波成分の光を入射させ，その反射スペクトルを測定した（図５）．その結果，１６．７７ＴＨｚに光波との相互作用に伴う共鳴吸収を観測した．次にこの周波数に測定周波数をセットし，光波の入射角を変化させることで，メタマテリアル構造を垂直に貫く磁場成分の大きさを変化させて，透過率の入射角度依存性を調べた．この実験では，メタマテリアル構造と電場成分との相互作用の影響を除去するために，銀ロッドがペアになっていな
い構造を比較サンプルとして用いて比較実験を行った．測定結果を図６に示す．この結果に示す
ように，ロッドペアアレイ構造を持つメタマテリアルの透過光強度のみが入射角の変化（磁場の垂直成分の変化）に応じて変化した．この結果から，２光子還元法を用いて作製したメタマテリアル
構造が，光波の磁場成分と相互作用している事を実験的に確認した．

図４ ロッドペアアレイ

図５ 光学測定配置193

図６ 試作したメタマテリアルの磁気応答(３) プラズモニック・メタマテリアルを用いた無反射光学素子の提案と設計
メタマテリアルの分野は，2000 年頃に提案された負の屈折率媒質とそれを用いた完全レンズのアイデアの報告をきっかけとして活発化したという経緯がある．そのため，メタマテリアルが負の屈折率物質そのものであるとの誤解も多々ある．確かに負の屈折率を持つ物質は自然界には存在しないため，メタマテリアルのような人工物質でしか実現することはできず，メタマテリアルは負屈折率物質を実現する手段の１つである．しかし，提案者は本研究を通してメタマテリアルの可能性
は負の屈折率物質の実現だけではなくもっと広いということを再確認し，それを実証する提案を行った．
本プロジェクトで研究したメタマテリアルは狭義には共振型メタマテリアルと呼ばれるもので，共振器と光波との共振現象を利用して物質の誘電率や透磁率を制御するものである．このメタマテ
リアルは，その共振周波数の高周波数側では透磁率が減少するが，低周波数側では逆に透磁率が上がる．つまり，メタマテリアルを使えば透磁率を下げることも上げることも可能になる．研究提案者は，この正方向に透磁率を制御した材料を利用すれば，ｐ偏光のみならずｓ偏光に対してもブリュースター（Brewster）現象を発現させることができることを見出し，この現象を利用した光機
能素子を提案した．
研究提案者は，図７（ａ）のように，ある特定の平面内（例えばｘ−ｙ面)にのみ共振器が配列された異方性メタマテリアルという構造を考案し，これを利用することで，ｐ，ｓ両偏光に対して同時にブ
リュースター現象を発現させる新しいブリュースター素子を考案した．この素子を利用すれば，屈折率の異なる媒質間を光の反射ロスなく光を透過させることができるようなバッファ素子を実現できる．図７（ｂ）はその一例である．真空中からガラスに向かって光が伝搬している状況で，その界面にメタマテリアルを挿入する．すると偏光に依存せずに光が真空中からガラスへと完全に透過する．これは物質の屈折率の違いによって生じるフォトンに対するポテンシャル障壁を除去したとも解釈できる．このように，本研究を通して，メタマテリアルは，古典光学では説明できないような
未知の光学現象を生み出し，全く新しい光技術の創出へ繋がるものであることを明らかにすることができた．

194

図７ 異方性メタマテリアルを用いた偏光無依存ブリュースター素子(4) メタマテリアルの屈折率制御への応用
メタマテリアルの応用として，人工的に透磁率を制御したメタマテリアルが，物質の屈折率を制御する全く新しい手段として利用できることを明らかにした．
物質の屈折率は，比誘電率εと比透磁率μのそれぞれの平方根の積で与えられるが，実際には，可視光の周波数領域では，物質の比透磁率μは１．０に固定されているので，屈折率はεだ
けで決定される．すなわち，物質の屈折率を人工的に制御しようとする場合，これまではεしか制
御できなかったので，極めて自由度が小さかった．しかし，メタマテリアル技術を用いてμも変化させることができれば，結果的に高い屈折率や低い屈折率など，より自在に屈折率を制御できるよ
うになることを見出した．
例えば，現在プラスチックレンズに利用されている樹脂の屈折率は１．７６程度止まりである．この屈折率を０．０４から１．８０に上げようとすると，εに換算して０．１４も上げなければならず，これは今日の技術では困難な課題である．しかし，これをμの変化で補助すると状況は変わる．μの変化はεに対して掛け算で効くので，もともと１．０であるμの値を僅か０．０４６だけ上げて１．
０４６にするだけで，屈折率は１．７６から１．８０に変化する．０．０４６の変化で良ければ，大きな Q
値を持つ共振器を作る必要はないので，可視光全域にわたるような広い帯域を実現することも可能である． このように，これまで利用することができなかった透磁率というパラメータを制御できる
メタマテリアル技術を使えば，これまでとは全く異なる屈折率制御技術を生み出すことができることを理論的に明らかにした．
５．自己評価本研究を通して，人工的に作製した金属ナノ構造で構成されたプラズモニック・メタマテリアルが全く新しい光機能性材料として動作し，これまでの光学理論では説明できない新たな光学現象を発現させることができることを明らかにできた．
さらに，このメタマテリアルを実現する上で１つのブレークスルーとなる３次元ナノ金属加工技術を提案・開発し，実際に実験を通してその有効性を確認することができた．この技術は，世界的に見ても研究提案者のみが持つオンリーワンの技術として，このコミュニティ内で認識されており，
本研究プロジェクトの成果の中でもビジビリティの高い成果として一定の結果を示すことができたと考えている．

195

また，研究開始当初は可視光域で動作するメタマテリアルにターゲットを絞っていたが，研究が進むと同時に最近では THｚ波や紫外光域におけるメタマテリアルの検討も進み，周波数帯域においても幅広く拡張することができた．この成果は，メタマテリアルという研究テーマの幅の広さ，奥の深さを具体的に示すことに繋がり，本さきがけ研究成果が今後の研究テーマの基盤になると確信するに至った．
一方で，可視域のメタマテリアルの実現に関しては，未だ試作実験を続けている段階であり，研究プロジェクト期間内に目に見える形のサンプルを作る事はできなかった．これは，可視光域で動作するメタマテリアルを実現するためには，50nm 程度の空間分解能を持つ金属加工技術が必要であり，さらなる加工分解能の向上が必要であることに加え，その極微小の基本素子を膨大な数集積化しなければならないという，基本素子のサイズとメタマテリアル全体のサイズとのスケールの違いに対応できる高速性，大量生産性を実現できなかった事が原因である．これらの課題については今後も研究を継続する予定である．
６．研究総括の見解
人工的に導入したナノサイズの金属構造によって、物質の光学的な性質を操作する技術と，それを用いた全く新しい人工光学材料である“プラズモニック・メタマテリアル”の創製を目指した研究を行った。
主たる成果は次の３点である。
１）３次元ナノ金蔵構造の作製技術の開発―「２光子還元法」の開発
波長８００ｎｍの近赤外フェムト秒レーザーを用いた２光子還元法において，その回折限界を超える１００ｎｍの空間分解能で立体的な金属構造を作製できる新しい加工技術の開発に成功した。
２)プラズモニック・メタマテリアルを用いた無反射光学素子
異方性メタマテリアルという構造を提案し，ｐ，ｓ両偏光に対して同時にブリュースター現象を発現させる新しいブリュースター素子を考案した。これは、メタマテリアルは古典光学では説明できないような未知の光学現象を生み出し，全く新しい光技術の創出へ繋がるものであることを明らかにしている。
３）メタマテリアルの屈折率制御への応用
メタマテリアルの応用として，人工的に透磁率を制御したメタマテリアルが，物質の屈折率を制御する全く新しい手段として利用できることを明らかにした。
理論的で独創的な研究手法で金属ナノ構造を実現させ、３次元的なナノサイズの新しい金属ナ
ノ加工技術開発を世界にさきがけて成功したことは高く評価できる。
研究成果は、１３件の原著論文、特許出願６件、学会発表１９件に纏められ、"ISOM09 Best
Academic Paper Award "、第 14 回 東京テクノ・フォーラム２１ ゴールド・メダル賞などを受賞している。更に特筆すべきは反響の大きさであり、招待講演７４件、著書・解説論文２２件、メディア発
表２１件を数えている。判りやすい実世界での応用を示し、社会からの期待の大きさを表している。
今後、可視光域で動作するメタマテリアルを実現するために，微細金属加工技術の積み上げと化学的な合成手段など別手法を取り入れ、メタマテリアルによって実現できる新奇な光学現象・効果を探究して行くことを期待する。

196

７．主な論文等（Ａ）さきがけ個人研究者主導で得られた成果で主なもの（１）論文（原著論文）発表・・・重要なもの５件を記載、全１３件。
・Yao-Yu Cao, Nobuyuki Takeyasu, Takuo Tanaka, Xuan-Ming Duan, and Satoshi Kawata, "3D
Metallic Nano-Structure Fabrication By Surfactant-Assisted Multi-Photon-Induced
Reduction," Small 5, pp. 1144-1148 (2009).
・Atsushi Ishikawa, Takuo Tanaka, and Satoshi Kawata, "Magnetic Excitation of Magnetic
Resonance in Metamaterials at Far-Infrared Frequencies," Applied Physics Letters 91,
113118 (2007).
・ Atsushi Ishikawa, Takuo Tanaka, and Satoshi Kawata, "Frequency dependence of themagnetic response of split-ring resonators," Journal of the Optical Society of America
B 24, pp. 510-515 (2007).
・Atsushi Ishikawa, Takuo Tanaka, and Satoshi Kawata, "Improvement in the reduction ofsilver ions in aqueous solution using two-photon sensitive dye," Applied Physics Letters
89, 113102 (2006).
・Takuo Tanaka, Atsushi Ishikawa, and Satoshi Kawata, "Unattenuated light transmission
through the interface between two materials with different indices of refraction using
magnetic metamaterials," Physical Review B 73, 125423 (2006).
（２）特許出願
研究期間累積件数：６件
・ 発明者：

Takuo Tanaka and Satoshi Kawata,

発明の名称： "OPTICAL MATERIAL, OPTICAL DEVICE FABRICATED THEREFROM,AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME",
出願人：

理化学研究所

出願日：

11/455092 (2006/6/19), US2007-0140060-A1 (2007.1.18), US 7532397(2009.5.12).
・ 発明者：

田中拓男，武安伸幸，河田聡

発明の名称： "パルスレーザー発生装置およびパルスレーザー発生方法"
出願人：

理化学研究所

出願日：

特願 2008-111610 (2008.4.22).

・ 発明者：

田中拓男， 武安伸幸， 河田聡,

発明の名称： "３次元ナノ金属構造体の光還元加工方法"
出願人：

理化学研究所

出願日：

特願 2008-077913 (2008.3.25).

・ 発明者：

田中拓男， 武安伸幸，河田聡

発明の名称： "微粒子表面への金属コーティング方法および該方法によって金属コーティングされた微粒子"

197

出願人：

理化学研究所

出願日：

特願 2007-174981 (2007.7.3).

・ 発明者：

武安伸幸，田中拓男， 河田聡

発明の名称： "金属コーティング方法および金属リングの製造方法"
出願人：

理化学研究所

出願日：

特願 2007-174980 (2007.7.3).

（３）解説論文・・・直近のもの５件を記載、全１４件。
・

田中拓男，"プラズモニック・メタマテリアル," 工業材料58, pp. 68-69 (2010).

・

田中拓男，"プラズモニック・メタマテリアル," NEW GLASS (2010) (in printing).

・

田中拓男, "２光子還元法を用いた３次元ナノ金属構造のレーザー加工," レーザ加工学
会誌 (2010) (in printing).

・

田中拓男，"プラズモニック・メタマテリアルを用いた人工磁気光学材料," 未来材料9, pp.

・

田中拓男, "メタフォトニクス－限界を超える光学材料を目指して," 日本磁気学会会報

22-28 (2009).
「まぐね」 4, pp. 476-483 (2009).
（４）著書・・・直近のもの５件を記載、全８件。
・

Takuo Tanaka, "Using metamaterials to defy our common understanding of light," RIKENRESEARCH, pp. 13-16 (2009).

・

田中拓男(取材:井上憲人）, "メタマテリアルをデザインする３D レーザ加工技術," Laser
Focus World JAPAN, pp. 44-46 (2009).

・

田中拓男, "金や銀などの金属イオンに光を当てて結晶化させる方法で金属の立体構造
をナノスケールで自在に形成する技術を確立！," JST News, p. 4 (2009).

・

田中拓男, "次世代光メモリとシステム技術

第４章１「ホログラフィックメモリその技術と課題」," （株）シーエムシー出版, pp. 166-179 (2009).
・

田中拓男, "光学材料の屈折率制御技術の最前線（仮） 第３章 プラズモニック・メタマテ
リアル," （株）シーエムシー出版 (2009).

（５）招待講演（国際会議）・・・直近のもの５件を記載、全３２件。
・

Takuo Tanaka, "Plasmonic metamaterials: their properties, fabrication technique, andapplications," RIKEN-Lund-Harverd Joint Symposium (理研，和光キャンパス, Japan)(2009.11.17) (2009) (Invited).

・Takuo Tanaka, "Plasmonic Metamaterials," Japan-America Frontiers of Engineering
Symposium (UC Irvine, US, US) (2009.11.9) (2009) (Invited).

・Takuo Tanaka, "Two-photon fabrication of three-dimensional metal structures for
isotropic

metamaterials,"

The

4th

International

SymposiumonIntegrated

Molecular/Materials Engineering (Sichuan Univ. Chengdu, China) (2009.10.27) (2009)(Invited).
・Takuo Tanaka, "Nano-scale fabrication technique of three-dimensional metal structuresforplasmonic

metamaterials,"

SPIE

198

International

SymposiumonNanoScience+Engineering (SanDiego Convention Center, SanDiego, U.S.A.) (2009.8.2)(2009) (Invited).
・Nobuyuki Takeyasu, Takuo Tanaka, and Satoshi Kawata, "Enhancement of spatial
resolution with high sensitive photo-initiators in two-photon induced polymerization,"
SPIE International Symposium on NanoScience + Engineering (SanDiego, USA) (2009.8.3)(2009) (Invited).

（６）招待講演（国内会議）・・・直近のもの５件を記載、全４２件。
・

田中拓男, "プラズモニック・メタマテリアル," 日本オプトメカトロニクス協会セミナー 基礎
からよく分かる「ナノ領域の光学」入門 (機会振興会館，東京) (2010.2.5) (2010) (Invited).

・

田中拓男, "プラズモニック・メタマテリアル[Tentative]," 日本磁気学会 第１７０回研究会(化学会館) (2010.1.29) (2010) (Invited).

・

田中拓男, "プラズモニック・メタマテリアルとは," 日本科学未来館 サイエンスクロスロー
ド(Closed) (日本科学未来館) (2010.1.25) (2010) (Invited).

・

田中拓男, "Plasmonic Metamaterials and their related topics," 東北大学多元物質研究・

田中拓男, "メタマテリアル," （株）日立製作所 「光学応用装置の基礎技術（応用編）」

所 中川研セミナー(Closed) (東北大学，仙台) (2010.1.18) (2010) (Invited).
(Closed) (日立研修所, 東京) (2009.12.18) (2009) (Invited).
（７）学会発表（国際会議）・・・直近のもの５件を記載、全１２件。
・

Takuo Tanaka, Takanobu Higuchi, Tetsuro Koga, and Ayumi Mitsumori, "Plasmonic
three-dimensional optical disk with ten recording layeres," International Symposium on
Optical Memory 2009 (Nagasaki Brick Hall, Nagasaki, Japan), (2009.10.8) (2009).

・Nobuyuki Takeyasu and Takuo Tanaka, "Analysis of Spatial Resolution on Two‐Photon
Polymerization," International Symposium on Engineering Micro-/Nano-Materials basedon Self-Assembling and Self-Origanization (ISEM2008 Returns) (Miraikan, Japan),(2008.12.9) (2008).

・Takuo Tanaka, "Nano-scale fabrication of three-dimensional metallic structures forplasmonic metamaterials," Gordon Research Conference, Plasmonics (Tilton, NH, USA),(2008.7.27) (2008).

・Xuan-Ming Duan, Yao-Yu Cao, Wei-Kang Wang, Xian-Zi Dong, Wei-Qiang Chen,
Nobuyuki Takeyasu, Takuo Tanaka, and Satoshi Kawata, "Metallic Structures with
Nanometer Scale Resolution Fabricated by Direct Laser Photoreduction and Selected
Surface Metallization," PIRES (2007).

・Nobuyuki Takeyasu, Takuo Tanaka, and Satoshi Kawata, "Two-photon Initiators withHigh Initiating Efficiency for Fabrication of Nanophotonic Devices," 2008 MRS (Material
Research Society) Meeting (San Francisco, CA, USA), (2008.3.25) (2008).

（８）学会発表（国内会議）・・・直近のもの５件を記載、全８件。
・

田中拓男, "プラズモニック・メタマテリアル," 第 10 回エクストリーム・フォトニクス研究会(蒲郡, 愛知県), pp. 3-5 (2009.11.4) (2009).

・

田中拓男, "プラズモニック・メタマテリアル," 第 56 回応用物理学関係連合学術講演会

199

(つくば大学), 0, p. 139 (2009.3.31) (2009).
・田 中 拓 男 , "Nanofabrication technique of 3D metal structures for plasmonic
metamaterials," 理研シンポジウム 第７回ナノフォトニクス＆メタマテリアルシンポジウム(理研，埼玉), (2008.11.7) (2008).

・

武安伸幸, 田中拓男, 河田聡, "サイト選択金属コーティング法とその３次元機能デバイスへの応用," レーザー学会第 28 回年次大会 (名古屋国際会議場，名古屋) (2008.1.31)(2008).

・

田中拓男， 武安伸幸， 河田聡, "共振型プラズモニック・メタマテリアル," 第 53 回応用物理学関係連合講演会 シンポジウム「電磁メタマテリアル」講演予稿集 (青山学院大学
相模原キャンパス) (2007.3.27) (2007).

（９）メディア発表・・・直近のもの５件を記載、全２１件。
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田中拓男（取材 サイテック・コミュニケーションズ 池田亜希子), "もっと光を有効利用するために 光工学を変えるプラズモニクス", 化学と工業.

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田中拓男, ""透明人間"姿を見せた", 日本経済新聞 2009 年 7 月 19 日 朝刊 13 面.

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田中拓男, "金や銀などの金属イオンに光を当てて結晶化させる方法で金属の立体構造
をナノスケールで自在に形成する技術を確立！", JST News 2009 年 5 月号.

・田中拓男（取材：Newton 編集部土屋健), "立体ナノ構造を”生み出す”レーザー", Newton
2009 年 7 月号.

・田中拓男, "光を手なずけ・・・目標は「透明人間」", 産経新聞 2009 年 3 月 17 日 朝刊
22 面.

（１０）受賞・

ISOM2009, Takuo Tanaka, Takanobu. Higuchi, Tetsuro. Koga, and Ayumi. Mitsumori,"ISOM09 Best Academic Paper Award "Plasmonic three-dimensional optical disk withten recording layeres"," ISOM (2009) .

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第 14 回 東京テクノ・フォーラム２１ ゴールド・メダル賞, 田中拓男, "メタマテリアルを駆使したプラスチックレンズの先端的基盤技術の開発," 東京テクノフォーラム２１ (2008) .

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第 11 回 2007 年度 丸文研究奨励賞, 田中拓男, "プラズモニック・メタマテリアルの創製と新奇光デバイスへの展開," 財団法人 丸文研究交流財団 (2008) .

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平成 18 年度 第 48 回光学論文賞 , 田中拓男, "Unattenuated light transmission throughthe interface between two materials with different indices of refraction using magnetic
metamaterials, Physical Review B 73, 12, 125423 (2006)," 応用物理学会分科会 日本光学会 (2007) .

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