光制御の画期的な進歩

May 20, 2023

浦項科学技術大学（POSTECH）2023年5月24日

法線入射光を一方向 SPP に変換するメタグリッドの概略図。 メタグレーティングの単位セルは 2 つの異なるナノ構造で構成され、調整された光損失を引き起こします。 クレジット: POSTECH

韓国の POSTECH と米国のノースイースタン大学の科学者は、非エルミートメタ格子を使用して光を操作し、光損失を有益なツールに変えることに成功しました。 彼らは、特別に設計されたメタグレーティングカプラーを使用して光の方向を制御する新しい方法を開発しました。 この画期的な進歩により、量子センサーの研究が前進し、病気の診断や汚染検出などのさまざまな新しい用途につながる可能性があります。

光は非常に繊細で傷つきやすい物理現象です。 光は、物質の特性に応じて物質の表面で吸収または反射されたり、その形状を変えて熱エネルギーに変換されたりすることがあります。 金属材料の表面に到達すると、光は金属内部の電子にエネルギーを失う傾向があり、これを「光損失」と呼びます。

光をさまざまな方法で利用する超小型の光学素子の製造は、光学部品のサイズが小さくなるほど光の損失が大きくなるため、非常に困難です。 しかし、近年、光学損失をまったく異なる方法で利用する非エルミート理論が光学研究に適用されています。 光学損失が光学系の不完全な構成要素として認識される一般物理学とは異なり、光学損失を包含する非エルミート理論を採用し、この現象を利用する方法を模索する物理学における新しい発見がなされています。 「姿を変えた祝福」とは、最初は災難のように見えても、最終的には幸運をもたらすことです。 この研究ストーリーは、物理学における恩恵を隠し持っています。

メタグレーティングに入射する光とその一方向 SPP への変換を視覚化します。 (シミュレーション) クレジット: POSTECH

Prof. Junsuk Rho (Departments of Mechanical Engineering and Chemical Engineering) from POSTECH and PhD candidates Heonyeong Jeong and Seokwoo Kim (Mechanical Engineering) from POSTECH, and Prof. Yongmin Liu of Northeastern University (NEU) in Boston and their joint research team were able to control the direction of light beams using non-Hermitian meta-grating systems. The paper was featured in Science Advances<em>Science Advances</em> is a peer-reviewed, open-access scientific journal that is published by the American Association for the Advancement of Science (AAAS). It was launched in 2015 and covers a wide range of topics in the natural sciences, including biology, chemistry, earth and environmental sciences, materials science, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Science Advances、国際学術誌。

光が金属表面に入射すると、金属内の電子が光波とともに単一の物体として集合的に振動します。 この現象は表面プラズモン ポラリトンまたは SPP と呼ばれます。 「グレーティングカプラ」は、SPP の方向を制御するための補助デバイスとして広く使用されています。 このデバイスの効率は、直角入射光を意図しない方向の SPP に変換するという点で制限されます。

右側に伝播する SPP とメタグレーティングによって反射された SPP の間の干渉パターンの観察。 メタグレーティングの一方向性により、SPP はメタグリッドを介して逆方向に送信しません。 クレジット: POSTECH

研究チームは、この欠点を克服するために非エルミート理論を適用しました。 まず、チームは、特定の光損失が発生する理論上の例外点を計算しました。 次に、特別に設計された非エルミートメタグレーティングカプラーを使用した実験を通じて、その有効性を検証しました。 メタグレーティングカプラは、他のグレーティングカプラではほぼ不可能だった SSP の一方向制御を提供するのに効果的であることが証明されました。 また、メタ格子のサイズと距離を制御することで、光と SPP を反対方向に伝播させることもできます。 研究チームは、同じメタ格子デバイスを使用して、SSP への入射光を通常の光に戻す変換を達成することができました。

研究成果は、病気の診断のための抗原や大気中の有害ガスの検出など、さまざまな分野の量子センサー研究に役立つ可能性があり、工学と組み合わせることで幅広い応用への扉が開かれる可能性がある。 研究チームを率いたJunsuk Rho教授は、「今回の研究は非エルミート光学をナノスケールの領域にもたらした。優れた方向制御性と性能を備えた将来のプラズモニックデバイスの開発に貢献するだろう」と述べた。

参考文献: 「非エルミートメタグレーティングによる例外点における光輸送のサブ波長制御」Yihao Xu、Lin Li、Heonyon Jeong、Seokwoo Kim、Inki Kim、Junsuk Rho、Yongmin Liu著、2023 年 5 月 12 日、Science Advances.DOI: 10.1126 /sciadv.adf3510

この研究は、米国国立科学財団、サムスン科学技術財団、韓国国立研究財団から資金提供を受けました。