MIT、超小型光学デバイスが光操作のルールを書き換える

August, 14, 2025, Cambridge--MITで開発されたナノフォトニックデバイスは、コンパクト効率的、再プログラム可能で、適応性があり、外部入力に動的に応答できる。

光を制御する技術の縮小と強化を推進する中で、MITの研究者らは、ナノフォトニクス、つまり10億分の1メートルの光の操作を通じて、現代の光学の限界を押し広げる新しいプラットフォームを発表した。

その結果、既存の技術よりも小型で効率的であるだけでなく、ある光モードから別の光モードに動的に調整または切り替え可能なクラスの超小型光デバイスが誕生した。これまで、これはナノフォトニクスではとらえどころのない組み合わせだった。

この研究は、Nature Photonicsの7月8日号に掲載された。

「この研究は、ナノフォトニックデバイスがコンパクトで効率的であるだけでなく、再プログラム可能で適応性があり、外部入力に動的に応答できる未来に向けた重要な一歩を示している。新興の量子材料と確立されたナノフォトニクスアーキテクチャの融合は、確実に両方の分野に進歩をもたらすと考えられる」と、MITの1947年クラスのキャリア開発物理学准教授で、この研究のリーダーであるRiccardo Cominはコメントしている。同氏は、MITの材料研究所および電子工学研究所(RLE)にも所属している。

新しいナノフォトニック材料に向けて
ナノフォトニクスは伝統的に、シリコン、窒化ケイ素、二酸化チタンなどの材料に依存してきた。これらは、導波路、共振器、フォトニック結晶などの構造を使用して光を導き、閉じ込めるデバイスの構成要素。後者は、半導体結晶が電子の動きに影響を与えるのと同じように、光の伝播方法を制御する材料の周期的な配置である。

これらの材料は非常に効果的であるが、2 つの主要な制限によって制約される。1つ目は屈折率。つまり、材料が光とどれだけ強く相互作用するかを示す尺度。屈折率が高いほど、材料は光を「つかむ」か相互作用し、光をより鋭く曲げ、より遅くなる。シリコンやその他の従来のナノフォトニック材料の屈折率は控えめであることが多く、光をどれだけ厳密に閉じ込めることができるか、どれだけ小さな光学デバイスを製造できるかが制限される。

従来のナノフォトニック材料の2番目の大きな制限は、構造が製造されると、その光学的挙動は本質的に固定されることである。通常、光を物理的に変更せずに、光に対する反応方法を大幅に再構成する方法はない。「調整可能性は、多くの次世代フォトニクスアプリケーションにとって不可欠であり、適応イメージング、精密センシング、再構成可能な光源、トレーニング可能な光ニューラルネットワークを可能にする」(Sachin Vaidya)。

臭化クロムの紹介
これらは、臭化クロム(CrSBr)が解決しようとしている長年の課題である。CrSBrは、磁気秩序と強い光学応答のまれな組み合わせを持つ層状量子材料である。そのユニークな光学特性の中心となるのは励起子である:物質が光を吸収し、電子が励起され、正に帯電した「正孔」を残すときに形成される準粒子。電子と正孔は静電引力によって結合したままになり、光と強く相互作用できる一種の中性粒子を形成する。

CrSBrでは、励起子(エキシトン)が光学応答を支配し、磁場に対して非常に敏感であるため、外部制御を使用して操作できる。

これらの励起子により、CrSBr は非常に大きな屈折率を示し、研究者は材料を彫刻して、従来の材料で作られたものよりも最大一桁薄いフォトニック結晶などの光学構造を製造できる。「6nmの薄さの光学構造、または7層の原子を積み重ねただけでも作れる」(Demir)。

また重要なことに、MITの研究者は、適度な磁場を印加することで、光学モードを継続的かつ可逆的に切り替えることができた。言い換えれば、研究チームは、可動部品や温度の変化なしに、光がナノ構造を流れる方法を動的に変化させる能力を実証したのである。「この程度の制御は、確立されたフォトニック材料で通常達成できるものをはるかに超える、屈折率の磁気誘発の巨大なシフトによって可能になる」(Demir)。

実際、CrSBrの光と励起子の間の相互作用は非常に強いため、両方の成分から特性を継承するハイブリッド軽物質粒子であるポラリトンの形成につながる。これらのポラリトンにより、非線形性の強化や量子光輸送の新しい領域など、新しい形態のフォトニック挙動が可能になる。また、この領域に到達するために外部の光キャビティを必要とする従来のシステムとは異なり、CrSBrはポラリトンを本質的にサポートする。

このデモンストレーションではスタンドアロンのCrSBrフレークを使用するが、この材料は集積フォトニック回路などの既存のフォトニックプラットフォームへの統合も可能である。これにより、CrSBrは実際のアプリケーションにすぐに関連し、受動デバイスの調整可能な層またはコンポーネントとして機能する。

MITの結果は、最大132ケルビン(華氏-222度)の非常に低い温度で達成された。これは室温以下だが、量子シミュレーション、非線形光学、再構成可能なポラリトニックプラットフォームなど、CrSBrの比類のない調整可能性が極低温環境での動作を正当化する魅力的なユースケースがある。

言い換えれば、「CrSBrは他の一般的な材料に比べて非常にユニークであるため、極低温まで下げても苦労する価値はある」(Demir)。

とは言っても、チームは、よりアクセスしやすい条件で同様の機能を可能にするために、より高い磁気秩序化温度を持つ関連材料も探索している。