キラル媒体

キラル （ˈ k aɪ r əl）という用語は、それ自体の重ね合わせることのできない鏡像を持つ、または作り出す物体、特に分子を表します。化学では、そ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、人間の手を表すギリシャ語に由来しており、それ自体が左手が右手の上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。指と親指が反対方向にあるため、両手がどのような向きであっても、両手が正確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。キラリティーは、分子、結晶、メタマテリアルなどのオブジェクトの固有の特性である場合があります。また、光線の伝播方向と非キラルな物質の構造との相対的な関係など、さまざまなコンポーネントの相対的な位置と方向から生じる場合もあります。

3 次元で平行移動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、すべて固有の 3d 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。ほとんどの場合、キラルと説明される材料は固有の 3d キラリティーを持っています。典型的な例は、サブ波長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な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可能性があります。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は、一軸性の薄板のスタックとして、または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的な例は、11 世紀以上前に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効果を引き起こす。

3次元で平行移動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への斜め入射は、構造が入射面に鏡像線を持つ特別な場合を除いて、3Dキラルな実験配置をもたらします。 [ ^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によって本質的に調整可能です。外在的な3dキラリティーとその結果生じる光学活性は、入射角が反対の場合に逆転します。^[11]

2次元で平行移動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キラリティーであり、例としては、平坦な螺旋やS、G、Pなどの文字があります。3dキラリティー物体とは対照的に、2dキラリティーパターンのねじれの感覚は、観察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。

また、2d キラリティーは、異なる (非キラルな) コンポーネントの相対的な配置から発生することもあります。特に、平面周期構造の斜め照明は、入射面が構造の鏡面対称線に平行または垂直である特別な場合を除いて、外因的な 2d キラリティーをもたらします。外因的な 2d キラリティーによる強い円変換二色性は、メタマテリアルで観測されています。^[13]

電磁波は、その偏波と関連した利き手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、左巻きまたは右巻き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、空間内で逆の利き手のらせんを形成します。偏波は、空間内の固定位置で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、偏波は円であると言われます。楕円の短軸が 0 の場合、偏波は線形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巻き偏波と呼ばれ、反時計回りの回転は左巻き偏波と呼ばれます。回転が時計回りか反時計回りかを決定する際には、慣例が必要です。光学物理学者は、天文学者が星を観察するように、波の中から光源の方を見ている観測者の視点から利き手を判断する傾向があります。エンジニアは、放射アンテナの後ろに立っている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。両方の慣例により、左巻きと右巻きの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理解するために注意が必要です。

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]}

円偏波は、電磁波の伝播に関して、電界ベクトルの先端が螺旋を描く偏波である。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播方向と交差し、伝播方向と垂直な任意の固定平面に投影すると、円を描く。円偏波は、偏光面が互いに直角である位相直交の 2 つの直線偏波に分解できる。円偏波は、螺旋が右ねじまたは左ねじのどちらのねじ山を描くかによって、「右手」または「左手」と呼ばれることがある^[16]

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る。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る。光学活性は天然のキラル材料では弱いが、人工のキラル材料、すなわちキラルメタマテリアルでは桁違いに増強することができる。^{[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のと同様に、光学活性は波の伝播の反対方向でも同じである。

3D カイラル媒体では、逆の利き手を持つ円偏波電磁波が異なる速度で伝播することがある。この現象は円複屈折と呼ばれ、左利きと右利きの円偏波の屈折率の実部が異なることで説明される。その結果、左利きと右利きの円偏波は、カイラル媒体を伝播する際に異なる量の位相を蓄積する。この位相差により直線偏波の偏光状態が回転し、左利きと右利きの円偏波の重ね合わせと考えることができる。円複屈折は、効果が十分に大きい場合、片利きの波に対して負の屈折率をもたらすことがある。^{[21] [22]}

3D キラル媒体では、逆利きの円偏光電磁波は異なる損失で伝播します。この現象は円二色性として知られ、左利きと右利き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。

光学活性は通常は透過光で観察されますが、偏光回転^[23]や左回りと右回りの円偏光波の異なる減衰^{[24]もキラル物質による反射光で発生することがあります。これらの}鏡面円複屈折と鏡面円二色性の現象は、合わせて鏡面光学活性として知られています。鏡面光学活性は天然物質では弱いです。2回回転対称性を欠くメタサーフェスの斜め照明に関連する外在的な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]

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表面の斜め照明に関連する外在的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キラリティーのある構造に対して、ヨウ化リチウムよりも12桁強い効果が観測された。^[29]

2D キラリティーは、円偏光電磁波の方向非対称透過（反射および吸収）に関連しています。異方性と損失性も持つ 2D キラリティー材料は、前面と背面に入射する同じ円偏光波に対して、異なる総透過（反射および吸収）レベルを示します。非対称透過現象は、入射波の反対の伝播方向に対する異なる（たとえば左から右への）円偏光変換効率から発生するため、この効果は円変換二色性と呼ばれます。2D キラリティーパターンのねじれが反対の観測方向に対して逆に見えるのと同様に、2D キラリティー材料は、前面と背面に入射する左旋円偏光波と右旋円偏光波に対して、互いに入れ替わった特性を持っています。特に、左旋円偏光波と右旋円偏光波は、反対方向の透過（反射および吸収）非対称性を経験します。^{[30] [31]}

ほぼ理想的な効率の円偏光変換二色性は、メタマテリアルベースのキラルミラーで実現されています。従来のミラーとは対照的に、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、2d-キラルメタマテリアルを従来のミラーの前に置くことで実現できます。^[32]この概念は、ホログラフィーで左利きと右利きの円偏光電磁波の独立したホログラムを実現するために利用されています。^[33]左と右、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が報告されています。^[34]

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。前面と背面に入射する同じ直線偏光波の総透過率（反射および吸収）の異なるレベルは、入射波の反対方向の伝播に対する異なる（たとえば x から y への）直線偏光変換効率から生じ、したがってこの効果は直線変換二色性と呼ばれる。x から y および y から x への偏光変換効率は、反対方向の波伝播に対して交換される。直線変換二色性は、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察されている。効果のオン/オフを切り替えることができるアクティブ メタマテリアルは、相転移で 3D キラリティーを制御することによって実現されている。^[37]

• 双等方性
• メタマテリアル
• キラリティー（化学）
• 平面キラリティー
• 円偏波

この記事には、米国エネルギー省の ウェブサイトまたは文書からのパブリック ドメインの資料が組み込まれています。エイムズ研究所より 。 この記事には、連邦規格 1037Cからのパブリック ドメインの資料が組み込まれています。一般調達局。2022 年 1 月 22 日にオリジナルからアーカイブされました。電気通信に関する米国軍事規格シリーズ MIL-STD-188をサポートする

• Lakhtakia, Akhlesh (1990)。自然光学活性に関する選集。SPIE 光学工学プレス。
• Wagniere, Georges H. (2007 年 8 月)。キラリティーと普遍的非対称性について: イメージと鏡像に関する考察。Wiley, John & Sons。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。

• Mullen, Leslie、Science Communications (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。2010年 7 月 17 日のオリジナル(「数十億年前、アミノ酸は何らかの形で結合して鎖状の分子を形成した」)からアーカイブ。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:2010-06-28。