光を後方に屈折させるナノ設計材料､フォトニック回路実現への一歩

February, 4, 2022, Northbrook--新開発のナノアーキテクト材料は､以前は理論的にのみ可能だった特性を示している｡それは､光が材料に当たる角度に関係なしに､光を後方に反射することができる｡

その特性は負の屈折として知られており､屈折率､光が所与の材料を通過するスピードが､あらゆる角度で電磁スペクトルの一部で負になる｡

屈折は､材料の一般的な特性である｡しかし負の屈折は､光を数度片側にシフトさせる作用ではない｡もっと正確に言えば､光は､材料への入射ポイントから完全に反対の角度に送られる｡これは自然に観察されたことはないが､1960年代の初めに､いわゆる人工周期材料で起こることが理論化された｡それは､特別な構造パタンを持つように構築された材料である｡今になってようやく､製造プロセスが理論に追いついて､負の屈折が現実になった｡

｢負の屈折は､将来のナノフェトニクスにとって極めて重要である｡光が可能な限り最小スケールで材料､固体材料と相互作用する時に、光の挙動を理解し､操作しようとするのがナノフォトニクスである｣とCaltech材料科学､機械工学､医療エンジニアリング､Ruben F. and Donna Mettler教授､シニアオーサの独りJulia R. Greerは､コメントしている｡論文は､Nano Lettersに発表された｡

新しい材料は､ナノスケールおよびマイクロスケールで組織を組合せ､時間と労力のかかるプロセスで､薄い金属ゲルマニウム膜をコーティングすることにより､その並外れた特性を実現する｡Geerは､そのようなナノアーキテクト材料のパイオニアである｡つまり構造がナノメートルスケールで設計、組織化され､結果的に､並外れた､時には驚くような特性を示す材料となる｡例えば､押しつけた後に､スポンジのように元の形に戻る､著しく軽量なセラミックス｡

電子顕微鏡で見ると､新しい材料の構造は､中空キューブの格子に似ている｡各キューブは､非常に小さく､キューブの構造を作るビームの幅は､ヒトの髪の毛の幅よりも100倍小さい｡格子は､ポリマ材料を使って構築された｡これは､比較的容易に3Dプリンティングで作れ､次に金属ゲルマニウムをコーティングする｡

｢その構造とコーティングの組合せにより、格子は並外れた特性を持つ｣とRyan Ng (MS ’16, PhD ’20)は言う｡同氏は､論文の著者の一人｡
　研究アチームは､苦心したコンピュータモデリングプロセス(ゲルマニウムが高屈折率材料であるという知見)により､適切な組合せとしてキューブ-格子構造と材料に的を絞った｡

そのスケールで､ポリマを金属で均一コーティングするために､研究チームは全く新しい方法を開発する必要があった｡最終的に､チームは､ゲルマニウムディスクを高エネルギーイオンを衝突させるスパッタリング技術を利用した｡これにより､ゲルマニウム原子はディスクから､ポリマ格子の表面へ吹き飛ばされる｡｢均一なコーティングは簡単ではない｡このプロセスの最適化に長い時間と労力がかかった｣(Ng)｡

その技術の潜在的アプリケションは､通信､医療イメージング､レーダカモフラージ､コピューティングである｡

現在の研究成果は､3Dフォトニック回路の実現に必要な光学特性実証への第一歩である｡光は､電子よりも遙かに動作が速いので､3Dフォトニック回路は､理論的には､従来の回路よりも遙かに高速になる｡

(詳細は､https://www.caltech.edu/)