メタオプティクス､予想しなかった破壊的技術

January, 12, 2023, Queensland--強まるメタオプティクス分野の報告が見出したところによると、ロボットや自動運転車は、人の目よりも遙かに多くを見る眼を持つようになる。

メタオプティクスは、300年の歴史があるパラダイムを遙かに超えて科学技術を前進させている。そのようなパラダイムでは、われわれは、視覚的ヒューマン･マシン･インタフェースに依存している。携帯電話のカメラ、顕微鏡、ドローン、望遠鏡のレンズなど。光コンポーネントは、技術的ボトルネックになっている。メタオプティクスは、その変革を目標にしており、これによりサイエンスフィクション(SF)のモノが日常的なデバイスになる。

完璧なレンズを形成できる負の屈折率を持つ材料の概念化により2000年代初めに開花した分野が、最近5年で急速に成長し、今や年に3000件程度の発表がある。

この加速する研究量は、科学者や技術者がナビゲートするのは不可能である。これが、Nature Photonicsにメタオプティクス研究のリーダーからの総括を駆り立てた。

同分野は、産業的破壊の淵にあることが確認された。

「メタオプティクス分野の最大の推進力は、メタオプティカル素子やデバイスを光学系に組込み、コンシューマにオプトエレクトロニクスアプリケーションを提供することから来ている」。

「重要な点は、メタ光学システムが、以前には考えられなかった新しいアプリケーションを可能にし、いわゆるIndustry 4.0に付け加わる。そのようなアプリケーションに含まれるのは､IoT、自動運転車、ウエアラブルデバイス、ARセット、リモートセンシングなどである」。

その技術の重要性は、Apple, Google, Samsungなど大手産業プレイヤからの大規模投資によって示されている。これらの大手は、院生を雇い入れ、同分野に投資している、特にビジョンアプリケーションの開発が狙いである。

しかし、著者たちは、視覚の域を超えて、メタオプティクスの非伝統的特性をライトセイル(light sails)、Li-Fi、熱管理にも利用できると指摘している。

これらの特性は、ミラーやレンズの伝統的オプティクスと対照的に、規則的なナノスケール構造でパタン化された表面をメタオプティクスが利用することから来ている。結果は、Isaac Newtonを驚かせていたと考えられる方法で光を散乱、操作する微小コンポーネントである。

これらの特性を利用している初の商用コンポーネントは、すでに市場に出ている。Metalenz, NIL Technology, and Meta Materials Incが、フラットメタレンズ、偏光イメージング、顕微鏡やバイオセンシングを提供している。

これらのデバイスにより、人の目が検出できないような光の特性、例えば偏光や位相にアクセスできるうになる。エンジニアが利用して、光量子状態を操作することさえできる。それは、量子イメージング、センシング､通信に利用できる。

とは言え、著者たちは、その分野の課題を見つけた。これらの最初のものは、現行産業標準CMOS製造技術にまで拡張すること。特に､ほとんどのメタオプティクスは、CMOSにはない、透明基板に依存している。

第二に、動的コンポーネントを可能にするチューナブル、再構成可能なメタマテリアルを実現する能力。テレビスクリーンのピクセルが、1秒に何度も色を変えることができるようにである。これは手に入れにくい。

「これは、われわれが、その分野の主要課題として提出した未解決の問題である。それは、その分野の主要素であり、全ての人が、現在、それを必要としている」(Neshev)。

「それが達成されたという誤解がある。人々は、小さな一歩を踏みだし、論文では、遠い未来を予想している。しかし、大きなアレイでピクセルレベルで実際に位相を変調した者はだれもいない。

Neshev教授によると、これらの課題が解決可能であるなら、メタオプティクスは、途方もない潜在力を持つことになる。

「プラットフォームとして、メタオプティクスは、非常に柔軟であり、どんなものにでも、例えば、電話、コンピュータ、自動車､衛星などにも組みこめる」。

「それは、光コンポーネント微小化で窮極のもの､サイズ、重量やパワーを提供する。従来のオプティクスでは可能でないヒューマン・デバイス・インタフェースを可能にする。3DビジョンやARなどであり、これは従来のオプティクスでは実に難しい」とNeshev教授は、コメントしている。

「最後に、コンポーネントを透過する光の位相を改良できると、いかなる画像処理もできるようになる。それは、途方もないゲームチェンジャだ」。

(詳細は、https://tmos.org.au/)