非線形非局所メタサーフェスが光を変換、制御する

February, 24, 2026, New York--非線形メタ面の実証は局所的なナノスケール共鳴に依存しており、生成される波面に対する非線形強化、効率、制御の本質的なトレードオフが存在する。しかし、非局在化共鳴を支えるメタ面は高い対称性に悩まされており、波面形成に必要な局所自由度を欠いている。

現在、アメリカとイタリアの研究者たちは、両方の利点を同時に活用する非局所的非線形メタサーフェスを設計している(eLight, doi: 10.1186/s43593-025-00116-7)。このデバイスは、LiDAR、量子光生成、光信号処理などの技術向けの超コンパクトな光源やビームステアリング素子につながる可能性がある。

「われわれは、大規模な非線形増強と放出される非線形波面の完全なサブ波長制御の両方が可能な初の非線形非局所メタサーフェスプラットフォームを実証することで、このギャップを埋める」と、米国ニューヨーク市立大学(City University of New York)のAndrea Alùは離している。「これにより、技術的かつ物理的な制約の両方に対応する、非常に効率的で調整可能かつ機能的に豊かな非線形光学部品への扉が開かれる。」

ユニークな特性の組み合わせ
Alùとチームは、周期的な構造の中で格子共鳴を支える小さな摂動を活用するメタサーフェス設計を作成した。摂動は局所的な幾何学的位相を制御するために適切に回転させられ、メタサーフェス全体は非局所化された非局所共鳴を支え、非線形応答、特に第三高調波生成を劇的に強化する。

また、メタサーフェスが入力偏光の関数として高い方向性を持つ異なる回折次数に生成光を誘導できること、また入力ポンプのキラリティを変化させることで発光方向を単純に切り替えられることも実験的に示した。この新しい装置は、これまで一緒に実証されていなかった複数の特性を達成している。すなわち、連続体における高Q準束縛状態(qBIC)、波面形成を可能にするサブ波長位相工学、指向性かつ偏波ロスト性の非線形放射、それにポンプキラリティ依存のビームステアリングである。

「これらの特徴は、局所的非線形メタ曲面の根本的に新しいクラスを表しており、局所的な非線形メタ曲面や周期的qBIC構造だけでは達成できなかったことである」(Alù)。

新たな道
この結果は、生成された光の光学特性を完全にナノスケール制御する非線形ナノスケールデバイスの開発に向けた新たな道を確立し、位相マッチングを必要とせずに古典的および量子領域の両方に適用可能である。

「主なアプリケーション分野の一つはコンパクトで高度指向性の周波数変換器で、ある波長のレーザが第三高調波で構造化された光を生成し、角度や偏光を正確に制御できるものである。高いQファクタと向上した効率により、これらのデバイスは低消費電力やチップ統合型の光源、波長変換器、オンチップ信号ルーティングに適している」(Alù)。

その他の潜在的なアプリケーションには、光通信システム向けのナノスケールでの偏光制御ルーティングや多重化、非線形ホログラフィやイメージング、量子光生成などがある。