利用太赫茲波將物質的「扭曲」可視化為地圖：建立支援次世代材料與通訊開發的新分光成像技術

由千葉大學大學院融合理工學府博士前期課程千葉初奈氏（研究當時）、同大學大學院工學研究院宮本克彦教授、東北大學大學院理學研究科大野誠吾助教、以及物質・材料研究機構三成剛生小組組長所組成的研究團隊，利用一種名為「莫列型超表面」的人工結構體（由銀製微細圓盤堆疊而成），開發出一種全新的分光成像技術。該技術能夠透過太赫茲波，將物質所具有的「右旋」與「左旋」手性的空間分佈，直接觀測為二維影像。傳統的太赫茲圓二色性測量僅能獲得整個樣品的平均資訊，即使不同位置存在不同的手性，也難以捕捉其差異。然而，本研究成功實現了全球首次將不同手性混合存在的狀態可視化。這項成果預計將應用於次世代材料的品質評估、生物分子結構的分析，以及新型太赫茲元件的開發。本研究結果已於2026年6月2日（美國東部時間）發表在學術期刊《ACS Photonics》上（論文連結：10.1021/acsphotonics.6c00372）。

圖：太赫茲圓偏光二色性成像及分光結果：可觀察到對應結構鏡像關係的左右手性反應反轉現象。這顯示了能夠將物質內部分佈的手性可視化為二維影像。

■ 研究背景

物質具有一種稱為「手性」的性質，就像右旋螺絲和左旋螺絲一樣，其鏡像無法與原物體重合。調查這種手性的代表性方法是「圓二色性測量」，廣泛應用於藥物發現和材料科學。特別是太赫茲波，由於對分子集團的振動或蛋白質的高階結構等物質的「低能量區域」運動非常敏感，因此作為一種調查可見光或紅外線難以看到的立體「扭曲」結構的手段而備受關注。然而，傳統的太赫茲波圓二色性測量主要以「點測量」為主，對整個樣品進行平均測量。因此，當樣品內部存在不同手性的分佈時，各自的訊號會相互抵消，導致無法獲取局部結構資訊。基於這樣的背景，業界迫切需要建立一種能夠直接「可視化」手性空間分佈的新型測量技術。

■ 研究成果要點

1. 開發全球首創的高精度太赫茲手性成像技術：建構了一種能夠在3至6太赫茲的極寬頻帶內，準確區分光的「右旋」和「左旋」的分光成像裝置。這使得以頭髮粗細程度的空間解析度來繪製手性分佈圖成為可能。

2. 利用人工結構「莫列」自由設計扭曲：利用將排列有銀盤的薄片以微小角度偏移堆疊時產生的「莫列紋」。透過這種人工結構（超表面），人為創造出右旋與左旋手性複雜混合的狀態，並將其作為驗證模型。

3. 直接觀測「右旋」與「左旋」的反轉現象：成像結果可視化了在一張薄片內，「顯示右旋性質的區域」與「顯示左旋性質的區域」交替排列的狀態。這是傳統平均化測量絕對無法觀測到的現象。

4. 闡明微觀結構與宏觀結構相互作用的機制：從理論和實驗兩方面證明了，單個圓盤的排列（微觀結構）以及堆疊所產生的巨大圖案（宏觀結構）兩者共同主導了與太赫茲波的相互作用。

■ 未來展望

本研究建立的成像平台，預計未來將可擴展至2至15太赫茲的更寬頻帶。利用太赫茲波進行的「扭曲可視化」，作為一種分析肉眼不可見微觀結構的新基礎技術，預計將應用於以下領域：

醫療・藥物發現：可視化蛋白質異常聚集體（如類澱粉蛋白）分佈的新型診斷技術。

超高速通訊：評估和檢測次世代通訊（6G）所需、利用光扭曲的高階訊號控制元件。

新材料開發：檢測量子材料或軟物質內部的細微結構變形，並將其轉化為提升材料特性的分析技術。

■ 用語解說

注1）莫列型超表面：將兩個規則的微細結構稍微偏移堆疊而產生的莫列結構，針對太赫茲波人工實現的平面材料。能夠實現通常不會出現的「扭曲結構」所帶來的特殊波動控制。

注2）手性：物體或分子與其鏡像無法重合的性質。右旋螺絲和左旋螺絲的關係是典型例子，「右向」和「左向」的方向差異會顯著影響物質的性質和功能。在藥物發現和材料科學中，區分這種差異至關重要。

注3）太赫茲波：位於無線電波和光（紅外線）之間的電磁波，具有每秒約一兆次振動的頻帶。對分子或材料的集體振動及柔軟運動敏感，作為調查可見光無法看到的物質內部結構的手段而備受關注。

注4）圓二色性：物質對右旋和左旋圓偏振光表現出不同反應的特性。這是調查物質「右旋・左旋」的代表性方法，廣泛用於分子和材料立體結構的分析。

■ 論文資訊

標題：Multiscale chirality in moiré metasurfaces revealed by terahertz circular dichroism spectroscopic imaging

作者：Uina Chiba, Shota Tsuji, Gaku Oritani, Takumi Yoichi, Rinpei Sasaki, Takeo Minari, Seigo Ohno, Katsuhiko Miyamoto

期刊名稱：ACS Photonics

DOI：10.1021/acsphotonics.6c00372

■ 關於研究計畫

本研究由以下單位資助進行：

・日本學術振興會科學研究費助成事業（JP23K23248，JP24KK0108，JP22K18979，JP23K04567）

・科學技術振興機構創發研究支援事業（JPMJFR2036）等