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MIPTスーパーレンズ、古典的なオプティクスの法則を回避

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July, 10, 2020, Moscow--ロシアとデンマークの研究者は、プラズモンナノジェットの初の実験観察を行った。この物理現象は、光のナノスケール集光を可能にし、理論的には、普通の集光レンズの基本的制約の一つを回避できる。光波の強力な圧縮は、現在のエレクトロニクスよりもはるかに高速動作するコンパクトデバイスで信号キャリアとして光波を利用するために必要になる。研究成果は、Optics Lettersに発表された。

マイクロサーキットの電子をフォトン(質量のない光粒子)で置き換えることができれば、結果としてのデバイスは、著しく高速に動作する。

エンジニアが電子チップを捨てて類似のフォトニックに行けないのは、微小化が必要だからである。今日の技術では、そのような光デバイスは、非常にサイズが大きい。それらを小さくするには、エンジニアは、光波そのものが局所化され、微小空間に押し込められるほど小さなスケールでフォトンを制御する方法が必要になる。理想的には光は、元の波長の50%以下のスポットに集光される必要がある。いわゆる回折限界として知られる原理により、古典的な光学ではこの作業は不可能であるが、最新の研究は、それを回避するいくつかの方法をすでに見出している。新規に観察されたプラズモンnmJETは、その一つになりそうである。

ロシアとデンマークの物理学チームは、光を特殊な電磁波に変換する集光コンポーネント、ナノレンズを作製し、最初の放射波長の60%に圧縮することができた。この新しい圧縮は、サイズ5×5 µm、厚さ0.25µmの方形誘電体材料でできている。方形粒子は0.1-µm厚ゴールドフィルム上に、光を回折するエッチングされたグレーティングの隣にある。

ゴールドフィルムのグレーティングをレーザで照射すると、表面プラズモンポラリトン(SPP)として知られる励起が起こり、これらは金属表面に沿って移動する。これらSPPsは基本的に二種類の波であり、相互に結合し、ともに移動する。まず、ゴールド(プラズモン部分)に電子の集合的振動があり、次にポラリトンと言われる表面光波も存在する。光をSPPsに変換するポイントは、最初のレーザパルスよりも強く合焦する方法である。

「サブ波長合焦を可能にするメカニズムの一つは、プラズモンnmJETに依存している。これは、われわれが実験で初めて観察した現象である」とTomsk Polytechnic University教授、Igor Mininは話している。

スーパーレンズで波が圧縮される理由の科学的な説明は以下のとおりである。「コンピュータシミュレーションを使い、われわれは誘電体粒子の適切な寸法、ゴールドフィルムの回折格子を計算して見つけ出した。これらのパラメタが正しいとき、SPPsは、粒子の異なる点で様々な位相速度を持つ。これは、波面を曲げ、粒子の渦巻を作り、したがってその背後のSPPsが密な領域となる。われわれがプラズモンナノジェットと呼んでいるものである」とMIPT研究所主席研究者、Dmitry Ponomarevは説明している。

その研究は、強力な局在放射とナノスケールでのその操作に向けた新しい効率的なメカニズムを実証している。それは、従来のエレクトロニクスよりもはるかに高速に動作するフォトニック、プラズモニックデバイスに高密度に詰め込んだ光コンポーネントにとって必須条件である。

MIPTフォトニクスと2D材料センタ長、Valentyn Volkovは、「プラズモンナノジェットの実験的観察は、われわれのセンタの研究者とモスクワ、トムスク、コペンハーゲンの研究者との協働で可能になった。この協働は、終わりではなく、われわれはプラズモンナノジェットの形成、伝搬、アプリケーションに関わる他の効果を示すことを計画している」とコメントしている。

(詳細は、https://mipt.ru/english/)