USC、“光熱力学”ベースの光学デバイスを実証

October, 24, 2025, Los Angels--USC Ming Hsieh電気およびコンピュータ工学科の研究者チームは、光熱力学の新たな枠組みに従った最初の光学デバイスの設計という、フォトニクスにおける新たなブレークスルーを生み出した。
Nature Photonicsに掲載されたこの研究は、非線形システム、つまりスイッチ、外部制御、デジタルアドレス指定を必要としないシステムにおいて、光を配線する根本的に新しい方法を紹介する。代わりに、光は単純な熱力学的原理に導かれて、自然に装置内を通り抜ける。

バルブからルータ、光まで
ユニバーサルルーティングは、おなじみのエンジニアリング概念。力学では、マニホールドバルブは入力を選択した出口に向ける。デジタルエレクトロニクスでは、自宅のWi-FiルータまたはデータセンタのEthernetスイッチが、多くの入力チャネルからの情報を正しい出力ポートに送信し、各データストリームが意図した宛先に確実に到達するようにする。しかし、光に関しては、同じ問題がはるかに困難である。従来の光ルータは、経路を切り替えるために複雑なスイッチアレイと電子制御に依存していた。これらのアプローチは、速度とパフォーマンスを制限しながら、技術的な難易度を高める。

USC Viterbi工学部のフォトニクスチームは、別の方法があることを示した。このアイデアは、それ自体が配置される大理石の迷路に例えることができる。通常、大理石が目的地である正しい穴に確実に到達できるように、障壁を持ち上げ、段階的にガイドする必要がある。しかし、USCチームの装置では、迷路はビー玉をどこに落としても、誘導手を必要とせずに、ビー玉が自然に正しい場所に向かって転がるように構築されている。さらに、これはまさに光の振る舞いである:それは熱力学の原理に従うことによって、自然に正しい経路を見つける。

業界への潜在的な影響
新しいアプローチの影響は、実験室をはるかに超えて広がる。コンピューティングとデータ処理が従来のエレクトロニクスの限界を押し広げ続けており、NVIDIAなどのチップ設計者を含む様々な企業が、情報をより迅速かつ効率的に移動する方法として光インタコネクトを模索している。しかし、光熱力学は、光信号を方向付ける自然で自己組織化された方法を提供することで、そのような技術の開発を加速させる可能性がある。このフレームワークは、チップ規模のデータルーティングを超えて、テレコム、ハイパフォーマンスコンピューティング(HPC)、さらには安全な情報処理にも影響を与える可能性があり、よりシンプルで強力なデバイスへの道を提供する。

仕組み:熱力学によって飼いならされたカオス
非線形マルチモード光システムは、混沌としていて予測不可能であると無視されることがよくある。モードの複雑な相互作用により、実用化のための設計はおろか、シミュレーションが最も難しいシステムの1つとなっている。しかし、線形オプティクスのルールに制約されないからこそ、豊かで未踏の物理現象が宿っている。

これらのシステム内の光は、気体が分子衝突によって平衡に達するのと同様の、熱平衡に達するのと同様のプロセスを経ることを認識し、USCの研究者は「光熱力学」の包括的な理論を開発した。このフレームワークは、膨張、圧縮、さらには相転移などのおなじみの熱力学的プロセスの類似物を使用して、非線形格子で光がどのように振る舞うかを捉える。

光を自らルーティングするデバイス
Nature Photonicsに掲載されたチームのデモンストレーションは、この新しい理論で設計された最初のデバイスである。このシステムは、信号をアクティブに操縦するのではなく、光がそれ自体をルーティングするように設計されている。

この原理は熱力学に直接触発されている。Joule-Thomson膨張と呼ばれるガスが自然に熱平衡に達する前に圧力と温度を再分配するのと同じように、USCデバイス内の光は、最初に膨張の光学的類似物、次に熱平衡の2段階のプロセスを経験する。その結果、外部スイッチを必要とせずに、指定された出力チャネルへのフォトンの自己組織化された流れが得られる。

ニューフロンティアを開く
光熱力学は、カオスを予測可能性に効果的に変えることで、非線形システムの複雑さに対抗するのではなく、利用する新しいクラスのフォトニックデバイスの作成への扉を開く。「このフレームワークは、配線を超えて、情報処理、通信、基礎物理学の探求に影響を与える、光管理へのまったく新しいアプローチを作動させる可能性もある」と、この研究の筆頭著者でUSC Viterbiの光学・フォトニクスグループ研究室のPh.D学生Hediyeh M. Dinaniは語っている。

工学のSteven and Kathryn Sample Chairであり、USC Viterbiの電気・コンピュータ工学教授Demetrios Christodoulidesは次のように付け加えている。

「かつて光学界では手に負えない課題と考えられていたものが、自然な物理的プロセスとして再構成された。エンジニアが光やその他の電磁信号の制御にどのようにアプローチするかを再定義する可能性がある。」