ポリマベースチューナブル光コンポーネント

March, 12, 2024, Jena--光の屈折特性を異なる状態間で正確に切り替えることができる材料コーティングは、イェーナ大学の化学科と物理学科の学際的な研究チームによって開発された。Felix Schacher、Sarah Walden、Purushottam Poudel、Isabelle Staudeをリーダーとするチームは、光に反応するポリマと、いわゆるメタサーフェスを組み合わせた。このイノベーションにより、信号処理に使用できる可能性のある新しい光学部品が生み出された。研究成果は、学術誌「ACS Nano」に掲載された。

2つ確立されたシステムを組み合わせ、新しいものを生み出す
「メタサーフェスも光スイッチ可能なポリマも、原理的には何十年も前から知られていたが、」この2つを組み合わせて光学用途向けの新しい部品を開発するのは、われわれが初ですある」と、現在オーストラリアの研究グループを率いる固体物理学研究所のSarah Waldenは説明している。
メタサーフェスは、光の波長よりも小さい特徴的な構造サイズを持つナノ構造の薄い層である。これにより、光の特性とその伝搬に特異的な影響を与えることができ、レンズ、偏光子、または格子によって実行される様々な光学機能が可能になる。一方、切り替え可能なポリマは、光の屈折率などの特性が状態によって変化するプラスチック。

「われわれが使用したポリマには色素分子が含まれている。これは、特定の波長の光を吸収し、そうすることで、その構造、つまりこの場合の光の屈折率などの特性を変化させることを意味する」有機化学・高分子化学研究所のFelix Schacherは言う。色素を対応する特性を持つ以前の構造に戻すには、異なる波長の光が必要になる。物理学者、Isabelle Staude、「われわれのシステムが特別なのは、屈折率の変化が、メタ表面がこのようなポリマでコーティングされたときの光学特性に影響を与えることだ」と説明している。達成された変更は、以前に知られていた同様のシステムと比較しても、驚くほど重要だった。「ポリマは色素によって異なる吸収を示すため、様々な効果を互いに非常にうまく分離したり、組み合わせたりすることができる」と同氏は要約している。

普通ではない物理的挙動
この有望な結果に加えて、チームは驚くべき発見をした:「われわれの研究では、2つの異なる色素を別々に使用し、それぞれをメタサーフェスに塗布した。これにより、その効果が確認された。しかし、両方の切り替え可能なポリマを混合すると、追加の効果が発生する」とSchacherは詳しく説明している。「2つの異なる色素分子が互いに相互作用しているのではないかと考えているが、現時点では確かなことは言えまない」。この興味深い振る舞いを明らかにするには、さらなる調査が必要である。

光学的人工知能を見据えた基礎研究
これらの切り替え可能な表面の主な焦点は、基本原理を実証することだったが、研究グループはいくつかのアプリケーションを想定している:「これらの表面は光で異なる特性状態を切り替えることができるため、センサ技術は自然な応用分野である」。また、このような切替可能な面を光データ処理に用いることも考えられる。「もちろん、これらのコンポーネントを例えば、電子人工知能が現在行っているのと同じ方法で画像情報を処理できる光ニューラルネットワークに使えれば、われわれのチームにとっては喜ばしいことだ。しかし、この種のデータ処理は電子機器ではなく光ベースであるため、従来のコンピュータベースのAIよりもはるかにエネルギー効率が高く、高速である」とSchacherは話している。