超薄型メタサーフェスチップ、不可視赤外線を制御可能な可視光ビームに変換

February, 12, 2026, New York--光の方向や挙動を正確に制御できる小型デバイスの発明は、先進技術の開発に不可欠である。CUNY大学院センタ先端科学研究センタ(CUNY ASRC)の研究チームは、不可視赤外ビームを可視光に変換し、可動部品なしで異なる方向に照射できるメタサーフェスの開発という大きな前進を遂げた。チームの研究の詳細は、eLight.誌に掲載された新しい論文で説明されている。

この新しいメタサーフェスは、光の波長よりも小さい微細な構造が模様化された超薄型チップで構成されている。赤外線レーザを照射すると、チップは入射光をより高い色(周波数)に変換し、新しい光を狭いビームとして放出し、入射光の偏光を変えるだけで制御できる。

実験では、約1530nmの赤外線(光ファイバ通信に使われる光に近い光)を510nm近くの可視緑色光に変換し、選択した角度に誘導した。

「すべてが一つのチップ上で、光の色を変えるだけでなく、ビームを好きな方向に向ける平らな微細なスポットライトのようなものだと考える」とCUNY ASRCフォトニクス・イニシアティブの創設ディレクタ、CUNY大学院センタの特別教授Andrea Alùは説明している。「表面の異なる部分を連携させることで、光の変換が非常に効率的になり、光の行き先を正確に制御できる。」

長年のトレードオフに対処

エンジニアたちは長い間、メタサーフェス(平坦でナノ構造化された材料)を使って光を曲げたり形作ったりしてきた。しかし、これらのデバイスには通常、次のようなトレードオフがある。

・表面の各ピクセルで光を制御する構造は柔軟だが、光を増幅させる効率はあまり高くない。
・光波が表面全体に広がり相互作用する構造は非常に効率的だが、ビーム形状の細かい制御は失われる。

新しいCUNYデバイスは、非線形光生成において、光の色を別の色に変換するという、両方を同時に実現した初のものである。これは連続体における準束縛状態と呼ばれる特別な集合共鳴を利用して、入射赤外線を表面全体で捕捉し増幅する。同時に、表面上の小さな構成要素は慎重に設計されたパターンで回転し、出る光に位置依存の位相を与える。これは内蔵レンズやプリズムのようなものである。

この設計により、チップは第三高調波光を生成する。これは入射ビームの3倍の周波数の光であり、新しいビームを特定の方向に誘導する。入射光の偏光が反転すると方向が反轉し、ビームの操舵を制御するためのシンプルな「ノブ」を提供される。

その結果、ビームを形成できるがこれらの集合共振を持たない同等の装置よりも約100倍効率的な三次高調波信号が得られる。

微小光源とオンチップビームステアリングへ

フラットチップ上で新しい色の光を効率的に生成・制御する能力は、幅広い用途を持っている。

「このプラットフォームは、LiDAR、量子光生成、光信号処理などの技術のための超コンパクトな光源やビームステアリング要素を、すべてチップ上で直接統合する道を開く」と、CUNYの元ポスドクで現在ロチェスタ大学(University of Rochester)助教、筆頭著者Michele Cotrufoは話している。「この概念は特定の材料ではなく幾何学に基づいているため、多くの非線形材料や紫外線を含む異なる色の光に適用可能である。」

研究チームによると、将来の設計では、複数のメタサーフェスを積み重ねたり組み合わせたりし、それぞれにわずかに異なる調整をして、より広い波長範囲で効率的に動作させることができる。