物理学を学ぶ人なら誰でも、光が直線的に進むことを知っています。 しかし今回、研究者たちは、光は外部からの影響を受けることなく、曲線を描いて進むことができることを示しました。 この効果は実際には目の錯覚ですが、研究者によれば、遠くから光で物体を動かすなど、実用的な使い方ができるそうです。
光が曲がることはよく知られています。 例えば、光線が空気中から水中に入ると、光線は急旋回します。池に浸した棒が水面に向かって傾いて見えるのはこのためです。 また、宇宙では、恒星のような巨大な天体の近くを通る光線は、曲線を描いて進むことが知られている。 このように、光が曲がって見えるのは、いずれも外的要因によるものです。 水の場合は屈折率という光学的性質の変化、星の場合は重力によるゆがみです。
しかし、光が自ら曲がるというのは、ほとんど前代未聞のことです。 1970年代後半、英国ブリストル大学のマイケル・ベリー教授とニューヨーク州立大学ストーニーブルック校のナンドール・バラッツ教授は、量子粒子の動きを表すエアリー波と呼ばれる波が、わずかに曲がることがあることを発見しました。 2007年、オーランドにあるセントラルフロリダ大学のDemetri Christodoulidesと他の物理学者が、レーザー光を操作してエアリー波の光学版を生成し、生成されたビームが検出器を横切るときにわずかに曲がることを発見するまで、この研究はほとんど無視され続けていました。
この自己湾曲はどのようにして起こったのでしょうか？ 光は波の集まりで、その山や谷が互いに干渉しあうことがあります。 例えば、山が谷を越えると打ち消しあって暗くなり、山が他の山を越えると「建設的に干渉」して明るい場所ができます。 ここで、幅の広い帯状の光（蛍光管や、出力を拡大したレーザーなど）を想像してみてください。 このとき、波のピークの初期位置（位相）を帯の各段階で注意深く制御することで、外側に向かう光は曲線上の点でのみ建設的に干渉し、他の点では相殺されるようにすることができるのです。 エアリー関数は、急速に減少する振動を含んでおり、これらの初期位相を定義する簡単な方法であることが証明されました。
ハイファにあるイスラエル工科大学の物理学者 Mordechai Segev と同僚たちは、光をどんな角度でも、たとえ完全な円であっても曲げられるようにするレシピを手に入れたと述べています。 Airy関数の問題は、その振動の形状が、小さな角度でのみ正しい位相を特定することであるとSegev氏は言う。 そこで彼のグループは、光などの電磁波の伝搬を記述する150年前の4つの数式からなるマクスウェル方程式に注目したのである。 研究者らは、労力を要する数学と推測の末に、真に自己組織化された光に必要な初期位相を正確に記述するマクスウェル方程式の解を発見し、今週『Physical Review Letters』誌に報告しました。
「Airy関数は、近似的なケースに対する解です」とSegevは言います。 「もし、大きな角度にしたいのであれば、適切な形状を持たなければなりません。 人々は、適切な形状はなく、解は常にバラバラになると考えていましたが、私たちはそれが間違いであることを示しました」。
セゲヴのグループの仕事は理論的なものにとどまったかもしれませんが、偶然にも、フランスのブザンソンにあるフランシュ・コンテ大学のジョン・ダッドリー率いるグループが、自己屈曲光に関する独自の実験を行っています。 ダドリー氏のグループは、既存のエアリー関数を修正することで、イスラエルのグループの解と一致する初期位相値を、彼らが気づかないうちに見つけることに成功した。 フランスの研究グループは、空間光変調器と呼ばれる装置を使って、拡大したレーザー光の位相を事前に調整し、その結果、光が最大60°まで自己屈曲することを発見し、今月末にOptics Lettersに報告する予定である。
自己屈曲する光は、光ピンセットに巧妙なひねりを加えることができる。 1980年代に開発されたこのデバイスは、強力なレーザー光によって生じる力を利用して、微小な物体を空中に保持するものである。 Segev氏は、レーザー光を自己屈曲する光に置き換えることで、捕捉した物体に触れることなく、複雑な経路を強制的に移動させることができると考えている。 そうすれば、曲がった光は、細胞を生体試料から選択的に遠ざけることができ、バイオエンジニアにとって好都合である。
アリゾナ大学ツーソン校の物理学者Pavel Polynkin氏は、別の用途として、通常のレーザーでは不可能な、曲がった穴を材料にあけることを提案しています。 しかし、そのような応用にもかかわらず、光自体は実際にはカーブしておらず、干渉輝点の並び方によって、カーブしているように見えるだけだと指摘しています。 実際、光のパワーのほとんどは、明るいカーブに向かうのではなく、打ち消された暗い部分に向かうという。 「私は、この論文の科学的意義に異議を唱えているわけではありません。 「この論文は重要な貢献をしているのです。 …今のところ基本的な物理法則は破られていませんし、それは良いことだと私は思います。