新デバイスはTHzパルスを電気と磁気スカーミオンの間で切り替える

February, 13, 2026, Washington--天津大学の研究チームは、電気的および磁気的な渦輪のような光パターンの両方を生成できる光デバイスを開発した。 これらの構造化された光渦はスカーミオンとして知られ、非常に安定し擾乱に強く、無線アプリケーションにおける信頼性の高い情報符号化に有望である。

天津大学(Tianjin University)の責任著者Xueqian Zhangは、「われわれのデバイスは自由空間伝播THzパルスで複数の渦パターンを生成するだけでなく、同じ統合プラットフォームを使って必要に応じて2つのモード間を切り替え可能である」と語っている。「このような制御性は、実際のアプリケーションにおいて不可欠であり、望ましい状態の信頼できる選択と再現が実用的な情報符号化に不可欠である。」

Optica Publishing Groupの高インパクトOptica誌では、Zhangらが非線形メタサーフェスを用いて、トロイダルテラヘルツ光パルスで電気モードと磁気モードを切り替えられるスカーミオンの初の実験実証を成功させた方法を紹介している。メタサーフェスは、ナノスケールのパターンを持つ超薄型材料で、従来のデバイスではできない方法で光を曲げたり、集束したり、フィルタリングしたりすることができる。

「われわれの結果は、切り替え可能な自由空間スカーミオンの概念を、堅牢な情報符号化のための制御可能なツールへと進めている。この研究は、THz無線通信や光ベースの情報処理に対するより強靭なアプローチを刺激する可能性がある。この主の制御は、異なる信号状態を制御された方法で生成・切り替え・ルーティングする光ベースの回路も可能にする可能性がある」と南洋理工大学(NTU)の共同著者であるYijie Shenは話している。

プログラム可能テラヘルツ渦

テラヘルツ波は次世代通信やセンシングの分野でますます注目されている。この新しい研究は、単にTHzパルスを発するだけでなく、これらのパルスを有用な形で形作ることができるTHz光源の開発という研究チームの広範な取り組みから生まれた。

光のトロイダル(ドーナツ型)渦は、電磁場が自身の周りに巻きつき、安定したドーナツ状の構造を形成するリング状のループを持ち、情報の符号化に追加の方法を加えられるため魅力的である。とは言え、既存のほとんどの装置は、限られた方法で一種類のトロイダル渦パターンしか生成できないことがよくあり、異なるモード間の切り替え機能を内蔵していない。

自由空間THzパルスで電気的と磁気のトロイダル渦光パターンを切り替えられる統合デバイスを作るために、研究チームは慎重にパターン化された金属ナノ構造から作られた、特別に設計された非線形メタサーフェスを使用した。

異なる偏光形状を持つ近赤外フェムト秒レーザパルスをメタサーフェスに照射すると、電気モードまたは磁気モードの渦構造を持つ異なるTHzトロイダル光パルスを生成する。このプロセスは、異なるキーを使って異なるドアを開けるのと似ている。ある光のパターンは電気モードを、別のパターンは磁気モードを起動する。

「コアイノベーションは、成形された近赤外フェムト秒レーザパルスをカスタマイズされたTHzトロイダル光パルスに変換する非線形メタサーフェスにある」と、実験を行った天津大学の第一著者Li Niuは話している。

天津大学のプロジェクトリーダー、Jiaguang Hanは「波長板や渦巻きリターダなどの単純な光学素子を用いて入力レーザの偏光パターンを制御することで、異なる2つの異なるトポロジカル光状態を能動的に切り替えられるコンパクトな装置を作り出せる」と付け加えた。

スカーミオンモードのトラッキング

デバイスの性能を評価するために、研究チームは超高速THz計測装置を構築し、生成されたTHzパルスが空間を移動する様子を「観察」できるようにした。単一のスナップショットに頼るのではなく、異なる位置や時間でパルスをスキャンし、フィールドパターンの進化を再構築した。

測定された電場パターンは、トロイダルパルスの特徴的なプロファイルと2つの異なるスカイミオンモードを示していた。性能はさらに忠実度測定を用いて定量化され、信頼性の高いスイッチング能力と高いモード純度が確認された。

今後、研究チームはこの概念をコミュニケーション関連の応用へと推進することを目指している。これにより、長期的な安定性、再現性、全体的な効率が向上し、システム全体をよりコンパクトで堅牢なものにする。さらに、制御可能なモードを追加することでシステムを2つの状態を超えて拡張し、より豊かな符号化方式を可能にすることを目指している。