光で操る「マイクロドローン」でナノ空間の微小な力を全方位計測

北海道大学 電子科学研究所の田中 嘉人 教授らの研究グループは、光で自在に操る「マイクロドローン」を用いて、これまで光の回折限界という制約のために測定が困難だった、ナノ空間で働く微小な力とトルク（回転させる力）を3次元的に計測する全く新しい手法を開発しました。

光がナノ粒子に及ぼす力は、ナノ粒子操作技術やナノマシン技術に欠かせない重要な要素です。しかし光には「回折限界」と呼ばれる性質があるため、ナノ粒子の位置や向きを正確に制御・計測することが難しく、力の働き全体（力学応答）を捉えることが困難でした。本研究では、十字型のマイクロ構造体の中心に測定対象のナノ物質を埋め込んだ、独自の「センサー機体（光駆動マイクロドローン）」を開発しました。これを4本の集光レーザービームで3次元的に捕捉し、位置（前後・左右・上下）と姿勢（3軸の回転）の合計6つの動き（6自由度）を極めて高い精度で追跡する技術を確立しました。この手法を用いて、V字形状をした異方性金属ナノ粒子に光を照射した際の応答を詳細に調べた結果、光の進行方向と垂直な軸まわりに回転が生じる「横方向光トルク」を初めて観測しました。この現象は、従来知られていた照射光の回転（角運動量）によるトルクとは異なり、照射光そのものが持つ「光のねじれ（キラリティー）」によって引き起こされるものであり、光が物質に及ぼす力の新しい仕組みを示す重要な成果です。

本成果は、光ナノ粒子操作や光ナノマシンの精密な制御を可能にするだけでなく、生体分子の複雑な回転運動の解明や量子力学的な力の検証など、これまで「見えなかった力」を読み取る新しい計測プラットフォームとして、広範な科学分野への発展に寄与することが期待されます。

なお、本研究成果は、現地時間2026年4月20日付で「Nature Physics」にオンライン掲載されました。