キラル媒体
電磁気学への応用
一般的なアミノ酸の2つの光学異性体と手によるキラリティー
電流の流れと誘導磁束の方向は「手」の関係に従う

キラル （ˈ k aɪ r əl）という用語は、それ自体の重ね合わせられない鏡像を持つ、あるいは作り出す物体、特に分子を表します。化学では、このような分子はエナンチオマーと呼ばれ、キラリティーまたはエナンチオマー性を示すと言われます。「キラル」という用語は、人間の手を意味するギリシャ語に由来し、人間の手自体が、左手を右手に正確に重ね合わせることができないことを示しています。指と親指が反対向きに配置されているため、両手をどのように向けても、両手が完全に一致することは不可能です。[1]ヘリックス、キラル特性（性質）、キラル媒体、[2]秩序、対称性はすべて、左利きと右利きの概念に関連しています。[3] [4]

キラリティーの種類

キラリティーとは、あるものがその鏡像と異なることを表します。キラリティーは2次元または3次元で定義できます。分子、結晶、メタマテリアルといった物体の固有の特性である場合もあれば、光線の伝播方向と非キラル物質の構造との関係など、異なる構成要素の相対的な位置と向きから生じる場合もあります。

固有の3Dキラリティー

3次元で並進または回転しても鏡像と重ね合わせることができない物体は、固有の 3d キラリティを持っています。固有とは、キラリティが物体の特性であることを意味します。ほとんどの場合、キラルと説明される材料は固有の 3d キラリティを持っています。典型的な例は、波長未満スケールでキラル構造を持つ均質/均質化可能なキラル材料です。たとえば、等方性キラル材料は、キラル分子からなる液体など、手持ち分子または介在物のランダム分散で構成できます。手持ち性は、構造的にキラルな材料のマクロレベルでも存在する場合があります。たとえば、コレステリック液晶の分子はランダムに配置されていますが、マクロ的にはらせん状の配向秩序を示します。構造的にキラルな材料の他の例としては、一軸性の薄板を積み重ねるか、彫刻された薄膜を使用して製造できます。驚くべきことに、両方のタイプのキラル材料の人工例は、110年以上前にJC Boseによって生成されました。 [5] [6] 3Dキラリティーは光学活性と線形変換二色性の電磁気的効果を引き起こす。

外在的3Dキラリティー

3次元で並進または回転しても鏡像と重ね合わせることができない配置は、外在的 3d キラリティーを持っています。外在的とは、キラリティーがさまざまなコンポーネントの配置の結果であり、コンポーネント自体の固有の特性ではないことを意味します。たとえば、アキラル結晶 (またはメタマテリアル) を通過する光線の伝播方向は、その鏡像とは異なる実験配置を形成できます。特に、2回回転対称性を持たない平面構造に斜め入射すると、構造が入射面に鏡面対称線を持つ特殊なケースを除き、3D キラルな実験配置になります。[7] Bunn [8]は1945年に外在的 3d キラリティーが光学活性を引き起こすと予測し、その効果は後に液晶で検出されました。[9] [10] 外在的 3d キラリティーは、メタマテリアルで大きな光学活性と線形変換二色性を引き起こします。これらの効果は、入射波と物質の相対的な向きを変えることで本質的に調整可能です。入射角が逆の場合、外在的な3dカイラリティとその結果生じる光学活性は反転します。[11]

固有の2dキラリティー

2次元で並進または回転しても鏡像と重ね合わせることができない物体は、固有の2dキラリティー、つまり平面キラリティーを持っています。固有とは、キラリティーが物体の特性であることを意味します。鏡面対称線を持たない平面パターンはすべて2dキラルであり、例としては、平坦な螺旋やS、G、Pなどの文字が挙げられます。3dキラルな物体とは対照的に、2dキラルパターンのねじれの感覚は、観測方向が反対の場合に逆になります。[12] 2dキラリティーは円変換二色性と関連しており、円偏光電磁波の方向的に非対称な透過（反射と吸収）を引き起こします。

外在的2dキラリティー

2次元カイラリティは、異なる（アキラルな）構成要素の相対的な配置によっても生じる。特に、平面周期構造への斜入射は、入射面が構造の鏡面対称軸に平行または垂直である特殊な場合を除いて、外因的な2次元カイラリティをもたらす。外因的な2次元カイラリティに起因する強い円偏光二色性は、メタマテリアルにおいて観測されている。[13]

電磁波の利き手

ダイポールアンテナから放射される電磁波の図。電気ベクトルの向きと磁気ベクトルの向きは、それぞれ特定の方向であり、かつカイラルである。この図は鏡像と重ね合わせることができない。
直線偏光。ベクトルのブロックは、進行方向に垂直な平面全体にわたって電場の強さと方向が一定であることを表しています。
直線偏波電磁波のアニメーション。波の伝播方向に対する E 電気ベクトルと B 磁気ベクトルの方向関係を示します。
直線偏波電磁波のアニメーション。波の伝播方向に対するE電気ベクトルとB磁気ベクトルの方向関係を示します。

電磁波は、偏波に関連付けられた左右性を持つことができます。電磁波の偏波は、電場ベクトルの向き、つまり時間とともに変化する方向と振幅を表す特性です。たとえば、左回りまたは右回りの円偏波の電場ベクトルは、隣のアニメーションで示されているように、空間内で反対の左右性のらせんを形成します。偏波は、空間内の固定位置における時間の関数として電場ベクトルが描く図形で表されます。一般に、偏波は楕円形で、時計回りまたは反時計回りに描かれます。ただし、楕円の長軸と短軸が等しい場合は、偏波は円偏波であると言われます。楕円の短軸が 0 の場合は、偏波は線形偏波であると言われます。電気ベクトルの時計回りの回転は右回りの偏波、反時計回りの回転は左回りの偏波と呼ばれます。回転が時計回りか反時計回りかを判断する際には、慣例が必要です。光物理学者は、天文学者が星を観察するように、波の内側から光源に向かう観測者の視点から利き手を判断する傾向があります。一方、エンジニアは、放射アンテナの後ろに立つエンジニアのように、光源の後ろから波に沿って見て利き手を判断する傾向があります。どちらの慣例も、左旋偏光と右旋偏光の定義が逆になるため、どちらの慣例に従っているかをよく理解する必要があります。

数学的には、楕円偏波は、波長は等しいが振幅は等しくなく、直交位相（それぞれの電気ベクトルが直角でπ/2ラジアン位相がずれている）にある2つの波のベクトル和として記述できます。[14] [15]

円偏波

物理学者と天文学者の慣例に従い、光源の方向から見た右回り（時計回り）の 円偏 光のアニメーション

電磁波伝搬における円偏波とは、電界ベクトルの先端が螺旋を描く偏波のことである。電界ベクトルの大きさは一定である。電界ベクトルの先端を伝搬方向と交差し、かつ伝搬方向に垂直な任意の固定面へ投影すると、円を描く。円偏波は、互いに直交する偏光面を持つ2つの直線偏波に分解することができる。円偏波は、螺旋が右ねじのねじ山を描くか左ねじのねじ山を描くかによって、「右巻き」または「左巻き」と呼ばれることがある[16]。

光学活性

3D キラル材料は光学活性を示すことができ、これは円複屈折として現れ、直線偏光の偏光回転を引き起こし、円二色性として現れ、左回りと右回りの円偏光の減衰が異なる原因となります。前者は偏光回転子を実現するために利用でき、後者は円偏光子を実現するために使用できます。天然のキラル材料では光学活性は弱いですが、人工のキラル材料、つまりキラルメタマテリアルでは桁違いに強化できます。[17] [18] [19] [20] らせんのねじれの感覚が観測の反対方向でも同じであるように、光学活性は波の伝播の反対方向でも同じです。

円複屈折

3次元カイラル媒質においては、円偏波の電磁波は、その進行速度が逆になることがあります。この現象は円複屈折と呼ばれ、左旋円偏波と右旋円偏波の屈折率の実部が異なることで説明されます。結果として、左旋円偏波と右旋円偏波は、カイラル媒質を伝播する際に異なる位相を蓄積します。この位相差は直線偏波の偏光状態の回転を引き起こし、これは左旋円偏波と右旋円偏波の重ね合わせと考えることができます。円複屈折は、その効果が十分に大きい場合、片方の旋光性の波に対して負の屈折率をもたらすことがあります。 [21] [22]

円二色性

3Dカイラル媒質では、逆向きの円偏光電磁波が異なる損失で伝播することがあります。この現象は円二色性として知られており、左回りと右回りの円偏光波の屈折率の虚数部が異なることで説明されます。

鏡面光学活性

光学活性は通常、透過光で観測されますが、キラル物質による反射光では、偏光回転[23]や左旋円偏光と右旋円偏光の減衰差[24]も観測されます。これらの鏡面円複屈折と鏡面円二色性の現象は、総じて鏡面光学活性と呼ばれます。鏡面光学活性は天然物質では弱いです。2回回転対称性を持たないメタサーフェスへの斜入射照明に伴う外因性3dキラリティーは、大きな鏡面光学活性をもたらします。[25]

非線形光学活性

光の強度に依存する光学活性は予測されており[26] 、ヨウ化リチウム結晶で観測されている[27]。 ヨウ化リチウムと比較して、2回回転対称性を欠くメタサーフェスの斜め照明に関連する外因性3dキラリティーは、スペクトルの光学部分で3000万倍強い非線形光学活性をもたらすことがわかった[28] 。マイクロ波周波数では、本質的に3dキラルな構造に対して、ヨウ化リチウムよりも12桁も強い効果が観測された[29] 。

円変換二色性

2Dキラリティーは、円偏波電磁波の方向非対称透過（反射および吸収）と関連している。異方性と損失性も併せ持つ2Dキラル材料は、前面と背面に入射する同じ円偏波に対して、異なる総透過率（反射および吸収）を示す。この非対称透過現象は、入射波の伝播方向が逆の場合、例えば左から右への円偏波変換効率が異なることから生じるため、円変換二色性と呼ばれる。2Dキラルパターンのねじれが観測方向が逆になると逆に見えるように、2Dキラル材料は、前面と背面に入射する左旋円偏波と右旋円偏波に対して、互いに逆の特性を示す。特に、左旋円偏波と右旋円偏波は、逆方向の透過率（反射および吸収）の非対称性を示す。[30] [31]

メタマテリアルベースのキラルミラーでは、ほぼ理想的な効率で円偏光変換二色性を実現しています。従来のミラーとは異なり、キラルミラーは一方の利き手の円偏光波を利き手の変化なしに反射し、もう一方の利き手の円偏光波を吸収します。キラルミラーは、従来のミラーの前に2d-キラルメタマテリアルを配置することで実現できます。[32]この概念はホログラフィーに利用され、左利きと右利きの円偏光電磁波に対して独立したホログラムを実現しています。[33]左右、またはキラルミラーと従来のミラーを切り替えることができるアクティブキラルミラーも報告されています。[34]

線形変換二色性

異方性構造の3Dキラリティーは、直線偏光電磁波の方向非対称透過（反射および吸収）と関連している。同一の直線偏光波が前面と背面に入射した場合、その透過率（反射および吸収）の異なるレベルは、入射波の伝播方向が逆の場合、例えばxからyへの直線偏光変換効率が異なることから生じ、この効果は線形変換二色性と呼ばれる。xからyへの偏光変換効率とyからxへの偏光変換効率は、伝播方向が逆の場合に互いに入れ替わる。線形変換二色性は、固有[35]および外在[36] 3Dキラリティーを持つメタマテリアルで観測されている。この効果をオン/オフできるアクティブメタマテリアルは、相転移によって3Dキラリティーを制御することで実現されている。[37]

参照

参考文献

  1. ^ Prelog, Vladmir (1975-12-12). Chirality in Chemistry (PDF) . Vol. 193. チューリッヒ、スイス：ETH、有機化学研究所. pp.  203– 204. doi :10.1126/science.935852. PMID  935852. 2009年8月20日閲覧。 {{cite book}}:|work=無視されました (ヘルプ)
  2. ^ Lakhtakia, Akhlesh (1994). Beltrami Fields in Chiral Media. Singapore: World Scientific. 2010年1月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2010年7月11日閲覧。 {{cite book}}:|work=無視されました (ヘルプ)
  3. ^ ゾウディ、サイード、アリ・シヴォラ、アレクセイ・P・ヴィノグラドフ（2008年12月）。メタマテリアルとプラズモニクス：基礎、モデリング、応用。ニューヨーク：シュプリンガー・フェアラーク。pp.  3– 10、第3章、106ページ。ISBN 978-1-4020-9406-4。
  4. ^ 注:波の伝播と利き手に関する詳細な議論については、次のトピックを参照してください:トーク:偏光子/長文の引用
  5. ^ JC Bose (1898). 「ねじれ構造による電磁波の偏波面の回転について」. Proceedings of the Royal Society of London . 63 ( 389– 400): 146. Bibcode :1898RSPS...63..146C. doi :10.1098/rspl.1898.0019. S2CID  89292757.
  6. ^ TG Mackay; A. Lakhtakia (2010). 「負屈折キラルメタマテリアル：レビュー」. SPIE Rev. 1 : 018003. Bibcode :2010SPIER...1a8003M. doi : 10.1117/6.0000003 .
  7. ^ Plum, E.; Fedotov, VA; Zheludev, NI (2008). 「外因性キラルメタマテリアルにおける光学活性」(PDF) . Applied Physics Letters . 93 (19): 191911. arXiv : 0807.0523 . Bibcode :2008ApPhL..93s1911P. doi :10.1063/1.3021082. S2CID  117891131.
  8. ^ Bunn, CW (1945). 『化学結晶学』 ニューヨーク: オックスフォード大学出版局. p. 88.
  9. ^ R. Williams (1968). 「p-アゾキシアニソールのネマティック液体相における旋光効果」. Physical Review Letters . 21 (6): 342. Bibcode :1968PhRvL..21..342W. doi :10.1103/PhysRevLett.21.342.
  10. ^ R. Williams (1969). 「p-アゾキシアニソールのネマティック液晶における旋光性と線形電気光学効果」. Journal of Chemical Physics . 50 (3): 1324. Bibcode :1969JChPh..50.1324W. doi :10.1063/1.1671194.
  11. ^ Plum, E.; Fedotov, VA; Zheludev, NI (2009). 「メタマテリアルにおける外因性電磁気キラリティ」. Journal of Optics A: Pure and Applied Optics . 11 (7) 074009. Bibcode :2009JOptA..11g4009P. doi :10.1088/1464-4258/11/7/074009.
  12. ^ Hecht, L.; Barron, LD (1994). 「キラル表面からのレイリーおよびラマン光学活性」. Chemical Physics Letters . 225 ( 4–6 ): 525. Bibcode :1994CPL...225..525H. doi :10.1016/0009-2614(94)87122-1.
  13. ^ Plum, E.; Fedotov, VA; Zheludev, NI (2009). 「メタマテリアルにおける外因性電磁気キラリティ」. Journal of Optics A: Pure and Applied Optics . 11 (7) 074009. Bibcode :2009JOptA..11g4009P. doi :10.1088/1464-4258/11/7/074009.
  14. ^ 分極の説明。連邦規格1037C。2000年8月23日。2010年6月28日にアクセス。
  15. ^ 波長とは、波の連続する2周期における位相が一致する点間の距離です。波長は、伝播速度vと周波数fと、v/fの関係にあります。連邦規格1037C、2000年8月23日。2010年6月28日アクセス
  16. ^ 「円偏波」。電気通信：電気通信用語集。電気通信科学研究所および国立通信システム。2000年8月23日。 2011年3月13日時点のオリジナル（連邦規格1037C）からアーカイブ。 2010年7月1日閲覧。
  17. ^ 桑田五神、M.斉藤直樹；井野、Y.カウラネン、M.ジェフィモフス、Ｋ．ヴァリウス、T.ツルネン、J.スビルコ、Y. (2005)。 「準二次元平面ナノ構造における巨大な光学活性」。物理的なレビューレター。95 (22) 227401。ビブコード:2005PhRvL..95v7401K。土井：10.1103/PhysRevLett.95.227401。PMID  16384264。
  18. ^ Decker, M.; Klein, M.; Wegener, M.; Linden, S. (2007). 「平面キラル磁性メタマテリアルの円二色性」. Optics Letters . 32 (7): 856–8 . Bibcode :2007OptL...32..856D. doi :10.1364/OL.32.000856. PMID  17339960.
  19. ^ Plum, E.; Fedotov, VA; Schwanecke, AS; Zheludev, NI; Chen, Y. (2007). 「電磁結合による巨大光ジャイロトロピー」.応用物理学論文集. 90 (22): 223113. Bibcode :2007ApPhL..90v3113P. doi :10.1063/1.2745203.
  20. ^ Probst, Patrick T.; Mayer, Martin; Gupta, Vaibhav; Steiner, Anja Maria; Zhou, Ziwei; Auernhammer, Günter K.; König, Tobias AF; Fery, Andreas (2021). 「コロイド集合体による機械調整可能なキラルメタサーフェス」. Nature Materials . 20 (7): 1024– 1028. Bibcode :2021NatMa..20.1024P. doi :10.1038/s41563-021-00991-8. ISSN  1476-1122. PMID  33927391. S2CID  233451213.
  21. ^ Plum, E.; Zhou, J.; Dong, J.; Fedotov, VA; Koschny, T.; Soukoulis, CM; Zheludev, NI (2009). 「カイラリティによる負の屈折率を持つメタマテリアル」（PDF） . Physical Review B. 79 ( 3) 035407. arXiv : 0806.0823 . Bibcode :2009PhRvB..79c5407P. doi :10.1103/PhysRevB.79.035407. S2CID  119259753.
  22. ^ Zhang, S.; Park, Y.-S.; Li, J.; Lu, X.; Zhang, W.; Zhang, X. (2009). 「キラルメタマテリアルにおける負の屈折率」. Physical Review Letters . 102 (2) 023901. Bibcode :2009PhRvL.102b3901Z. doi :10.1103/PhysRevLett.102.023901. PMID  19257274.
  23. ^ Silverman, M.; Ritchie, N.; Cushman, G.; Fisher, B. (1988). 「光位相変調を用いた実験構成による、自然ジャイロトロピック媒質からの鏡面反射光におけるカイラル非対称性の測定」Journal of the Optical Society of America A . 5 (11): 1852. Bibcode :1988JOSAA...5.1852S. doi :10.1364/JOSAA.5.001852.
  24. ^ Silverman, M.; Badoz, J.; Briat, B. (1992). 「自然光学活性媒質からのキラル反射」. Optics Letters . 17 (12): 886. Bibcode :1992OptL...17..886S. doi :10.1364/OL.17.000886. PMID  : 19794663.
  25. ^ Plum, E.; Fedotov, VA; Zheludev, NI (2016). 「アキラルメタサーフェスの鏡面光学活性」(PDF) .応用物理学論文集. 108 (14): 141905. Bibcode :2016ApPhL.108n1905P. doi :10.1063/1.4944775. hdl :10220/40854.
  26. ^ Vavilov, SI (1950). 『光の微細構造』モスクワ：ソ連科学アカデミー出版.
  27. ^ アフマノフ、SA;ジダノフ、BV。ニセコ州ゼルデフ。コブリギン、AI;クズネツォフ、VI (1979)。 「結晶における非線形光学活性」。JETPレター。29 : 264。書誌コード:1979JETPL..29..264A。
  28. ^ Ren, M.; Plum, E.; Xu, J.; Zheludev, NI (2012). 「プラズモニックメタマテリアルにおける巨大非線形光学活性」. Nature Communications . 3 833. Bibcode :2012NatCo...3..833R. doi : 10.1038/ncomms1805 . PMID  22588295.
  29. ^ Shadrivov, IV; Fedotov, VA; Powell, DA; Kivshar, YS; Zheludev, NI (2011). 「電子ダイオードの電磁波アナログ」. New Journal of Physics . 13 (3): 033025–9 . arXiv : 1010.5830 . Bibcode :2011NJPh...13c3025S. doi : 10.1088/1367-2630/13/3/033025 .
  30. ^ Fedotov, VA; Mladyonov, PL; Prosvirnin, SL; Rogacheva, AV; Chen, Y.; Zheludev, NI (2006). 「平面キラル構造における電磁波の非対称伝播」. Physical Review Letters . 97 (16) 167401. arXiv : physics/0604234 . Bibcode :2006PhRvL..97p7401F. doi :10.1103/PhysRevLett.97.167401. PMID  17155432. S2CID  119436346.
  31. ^ Plum, E.; Fedotov, VA; Zheludev, NI (2009). 「入射方向に依存する透過率と反射率を持つ平面メタマテリアル」. Applied Physics Letters . 94 (13): 131901. arXiv : 0812.0696 . Bibcode :2009ApPhL..94m1901P. doi :10.1063/1.3109780. S2CID  118558819.
  32. ^ Plum, E.; Zheludev, NI (2015-06-01). 「カイラルミラー」（PDF） . Applied Physics Letters . 106 (22): 221901. Bibcode :2015ApPhL.106v1901P. doi :10.1063/1.4921969. hdl : 10356/105692 . ISSN  0003-6951. S2CID  19932572.
  33. ^ Wang, Q.; Plum, E.; Yang, Q.; Zhang, X.; Xu, Q.; Xu, Y.; Han, J.; Zhang, W. (2018). 「反射型キラルメタホログラフィー：円偏光波のためのホログラム多重化」. Light: Science & Applications . 7 (1): 25. Bibcode :2018LSA.....7...25W. doi :10.1038/s41377-018-0019-8. PMC 6106984. PMID 30839596  . 
  34. ^ Liu, M.; Plum, E.; Li, H.; Duan, S.; Li, S.; Xu, Q.; Zhang, X.; Zhang, C.; Zhou, C.; Jin, B.; Han, J.; Zhang, W. (2020). 「スイッチング可能なキラルミラー」（PDF） . Advanced Optical Materials . 8 (15) 2000247. doi :10.1002/adom.202000247. S2CID  218961036.
  35. ^ Menzel, C.; Helgert, C.; Rockstuhl, C.; Kley, E.-B.; Tünnermann, A.; Pertsch, T.; Lederer, F. (2010). 「光メタマテリアルにおける直線偏光の非対称透過」. Physical Review Letters . 104 (25) 253902. arXiv : 1005.1970 . Bibcode :2010PhRvL.104y3902M. doi :10.1103/PhysRevLett.104.253902. PMID:  20867380. S2CID  : 31075938.
  36. ^ Plum, E.; Fedotov, VA; Zheludev, NI (2010). 「直線偏光および円偏光用メタマテリアル光ダイオード」. arXiv : 1006.0870 . {{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）が必要です
  37. ^ Liu, M.; Xu, Q.; Chen, X.; Plum, E.; Li, H.; Zhang, X.; Zhang, C.; Zou, C.; Han, J.; Zhang, W. (2019). 「温度制御による電磁波の非対称透過」. Scientific Reports . 9 (1): 4097. Bibcode :2019NatSR...9.4097L. doi :10.1038/s41598-019-40791-4. PMC 6412064. PMID 30858496  . 

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さらに読む

  • Lakhtakia, Akhlesh (1990). 自然光学活性に関する選集. SPIE Optical Engineering Press.
  • ワグニエール、ジョルジュ・H.（2007年8月）『キラリティーと普遍的非対称性について：像と鏡像についての考察』ワイリー・ジョン＆サンズ社、第3章49ページ。ISBN 978-3-906390-38-3章タイトル:光、磁性、キラリティー。
  • レスリー・マレン、サイエンス・コミュニケーションズ（2001年5月9日）。「生命の小さな一歩（キラリティー）」。NASA宇宙生物学研究所。オリジナル記事（「数十億年前、アミノ酸は何らかの形で結合し、鎖状の分子を形成していた」）より2010年7月17日にアーカイブ。 2010年6月28日閲覧。{{cite web}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
  • エイムズ研究所。プレスリリースアーカイブ。アクセス日：2010年6月28日。
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