TU/e､新タイプ低消費電力ナノスケールポラリトンレーザ

January, 15, 2019, Eindhoven--アイントホーフェンの研究チームは､全方向に発光する新しいタイプの省エネ､ナノスケールレーザを開発した｡その全方向発光へのカギは､ナノテクノロジーでは通常､極めて望ましくないものの導入である｡つまり材料の不規則性である｡研究チームは､広範な潜在的アプリケーションがあると見ているが､まずは､その基礎研究は､他の研究者による､さらなる改善､理解の深化を促進すると考えている｡
　システムの反応を決定する変数のコントロール欠如は通常､科学や技術では害悪と見なされる｡とは言え､わずかな不完全性や不規則についてはどうだろうか｡ナノ製造プロセス制御レベルに限界があるため､不完全性と不規則は､ナノサイエンスでは不可避である｡不規則性は潜在的に､ナノシステムにとって致命的であるが､十分に抑制された不規則性は､最終的には邪魔にはならず､新たな物理的コンセプトやアプリケーションにつながる｡　
　Eindhoven University of Technology (TU/e) およびDutch Institute for Fundamental Energy Research (DIFFER)の研究チームは､Physical Review Lettersに研究成果を発表し､不完全性と不規則性のナノレーザにおける役割の研究を報告した｡わずかな不規則性を導入することで研究チームは､劇的な変化を観察した｡レーザは､もはや特定の一方向に発光することはなく､あらゆる方向に発光する｡
　ナノスケールレーザの開発は､非常に活発な研究分野である｡通常のレーザでは､個々のフォトンがキャビティ内の媒体中で何度も｢クローン｣される(一対のミラーの間で､フォトンが前後に動いて同じ特性の他のフォトンを生成)｡このプロセスは､励起誘導放射による光増幅(LASER)として知られている｡レーザ発光を達成するために､通常は媒体を通して電流を注入､あるいは高エネルギー光で媒体を照射する｡レーザ発光に必要な最小エネルギーは､レーザ閾値として知られている｡
　レーザの他の種類には､いわゆるポラリトンレーザがある｡これの動作原理は､フォトンクローンを作るのではなく､水蒸気分子と同様に非同一フォトンを作る｡つまり､様々な速度であらゆる方向に動き､凝縮されてシングルドロップになる｡フォトンの凝縮は､レーザの強度と指向性発光特性となる｡ポラリトンレーザの需要な利点は､発振しきい値が非常に低いことである｡これは､多くのアプリケーションにとって優れた候補になる｡
　とは言え､ポラリトンレーザの主要な問題は､低温動作が必要なことであるが､有機材料を使うことで､環境温度でもポラリトンレーザの発光は可能である｡研究チームは､以前に､環境温度で機能するナノスケールポラリトンレーザを実証した｡これは､通常のレーザのミラーの代わりに金属ナノ粒子を使った｡
　TU/e-DIFFER研究チームは､新しい種類のポラリトンレーザを見いだした｡これは､銀ナノストライプの規則的パタンで構成されている｡その銀ナノストライプは､染料が有機発光分子で構成された､カラードPMMAポリマで覆われている｡しかし､銀ストライプには､意図的にある程度の不完全性と不規則性を持たせてある｡この不完全ナノレーザからの発光は全方向であり､主に有機分子の特性によって決まる｡この結果は､凝縮というフレームワークでは期待できない｡全方向発光は､凝縮に一般的な､集合的発光ではなく､独立した有機分子からの発光を必要とするからである｡全方向発光の実証は､環境温度におけるナノスケールレーザの開発に新たな境界を定めることになる｡
　研究チームは､開発したレーザが､最終的には､多くの分野に適用されると考えている｡LEDと比較して､全方向レーザ光は､遙かに高輝度であり､明確に定義されている｡それが顕微鏡照明のふさわしい候補になる理由である｡顕微鏡照明には現在､LEDが使われている｡LiDARは､またもう1つの潜在的アプリケーションである｡現在のLiDARは､1個以上のレーザと一連の高速動作ミラーを使って､広いエリアをカバーして遠くの対象物を撮像している｡全方向レーザは､可動ミラーを必要としないので､複雑さが大幅に低減する｡また､Jaime Gomez Rivas教授によると､一般照明はオプションである｡｢とは言え､研究はまだ非常に初歩的である｡われわれの成果が､他の研究者を刺激して､さらにレーザ閾値を下げ、発光色範囲を広げることでレーザが改善されることを希望している｣と研究リーダー､同教授はコメントしている。