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前田はるか教授（理工学部 物理科学科）ならびに茨城大学 学術研究院 応用理工学野の北野健太講師らの研究グループは、共振器を用いることなく光の伝搬モードを制御するための新しい手法の開発に成功しました。

従来の共振器を用いた光の伝搬モードの制御は、极めて精密な制御を実现できる反面、実験条件に必ず制约が课されます。そこで近年、共振器を必要としない手法（共振器フリー）の开発が待望视されています。
本研究では、超蛍光と呼ばれる集団的な発光现象を独自の手法で制御する事でこれを実现しました。フェムト秒レーザーパルスを二つに分离し、互いに交差させる事で光の干渉縞を形成させます。この干渉縞を励起光とし、加热したガラスセル中に封入したルビジウム原子に照射します。その际、二つのビームの交差角度を制御する事で、干渉縞の縞间隔を1ナノメートルよりも十分に高い精度で制御します。电子励起状态に励起されたルビジウム原子からは、辐射缓和过程に伴って波长1367ナノメートルの超蛍光が放射されます。干渉縞の间隔を扫引しながら超蛍光の强度を観测した结果、干渉縞间隔が超蛍光の半波长に共鸣した际に、超蛍光の指向性が顕着に现れる事が确认されました。
本手法を用いることで、共振器フリーで、光の指向性、すなわち伝搬モードを超高速で制御する事が可能となります。また、通常の気体に适用可能である事から非常に汎用性が高く、理学、工学を问わず広范な光科学分野への展开が期待されます。
この成果は、2026年6月11日付でPhysical Review Letters誌に掲載されました。

【论文タイトル】
Cavity-Free Mode Control of Superfluorescence from Thermal Gas
【着者】
H. Maeda and K. Kitano
【掲载ジャーナル】
Physical Review Letters
【顿翱滨】
https://doi.org/10.1103/cbxq-8n45

?論文 “Cavity-Free Mode Control of Superfluorescence from Thermal Gas”

今后の展望

本研究によって、共振器を用いる事なく光の伝搬モードを制御するための新规手法が开発されました。本手法は共振器フリーである事に加え、冷却原子を必要としないため、より広范な物质に适用可能であり、様々な理学あるいは工学分野への适用が期待されます。特に、学术研究の深化という観点では、量子多体系（注４）と単一モードの电磁波との相互作用を研究するための理想的なプレイグラウンドになります。
本手法は超蛍光の性质を巧みに利用する事で実现されますが、里を返せば超蛍光自体の研究でもあります。超蛍光が放射される过程において、原子集団は自発的に量子多体系を形成すると考えられています。しかし、半世纪以上に渡る长い研究の歴史にも関わらず、その量子性の多くは谜に包まれたままです。本手法を冷却原子技术、単一光子検出技术など现代光科学の各种技术と融合させる事で、新しい切り口から超蛍光の量子性にアプローチする事が可能となります。これらの基础研究を通じて、量子物质の新奇物性を开拓し、それを基盘技术として将来的に量子多体光デバイス开発へと展开する事が期待されます。


■研究助成等の情报
本研究はJSPS 科学研究费助成事业（課題番号：JP25K00942）、JST 創発的研究支援事業（課題番：JPMJFR246N）、公益財団法人ＪＫＡの支援により実施されました。


■用语説明
（注１）光ピンセット法：
光と物质の相互作用によって形成される光ポテンシャルを利用する事で、レーザー光の集光位置に原子を捕获する手法。音响光学ディフレクタという光学素子を用いる事で、単一のレーザービームから复数个の光ピンセットレーザーを実现する事が可能である。特に冷却原子に适用する事で、精密な原子操作を実现する事が可能となる。
（注２）超蛍光：
1954年に理論物理学者R. Dickeによって提唱された集団的な発光現象。原子など量子性が顕著な物質が励起された際、蛍光が放出されるまでの時定数は自然放出レートで決まる。一方、原子集団が一斉に励起された場合、その形状、密度、温度などに関する特定の条件が満たされると、各々の原子の遷移双極子モーメントが自発的に揃い、放射レートが加速される。その帰結として、通常の蛍光とは異なる強力な光パルス（超蛍光）が放射される。超蛍光は、各々の原子が真空場という共通の場を介して相互作用する事で起こると考えられている。特に近年、その量子性に関する研究が世界各国で開始されつつある。
（注３）冷却原子：
通常の気体はその温度と质量によって决まるマックスウェルの速度分布に従って运动している。レーザー冷却とは、気体原子にレーザーを照射し、その辐射圧を利用して気体原子を减速させる技术である。ルビジウム原子の场合、レーザー冷却によって、局所的な速度分布に换算して、1ミリケルビンを遥かに下回る低温の原子集団（冷却原子）を実现する事が可能である。
（注４）量子多体系：
复数の物质が集まった场合、全体として一つの物质のように振る舞うのか、あるいは个々の物质の统计的な集団として振る舞うのかは、极めて本质的な问题である。特に物质同士が量子力学的な相互作用によって结合している场合を、量子多体系と呼ぶ。量子多体系の制御による新奇物性の开拓は现代物理学の中心的な研究课题である。


▼研究内容についてのお问い合わせ先
茨城大学 学術研究院 応用理工学野　講師　北野健太
罢贰尝：0294-38-5183
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