時空結晶:新しい光学材料への途上でパズルの重要なピース

November, 22, 2024, Karlsruhe--フォトニック時空結晶は、無線通信やレーザ技術をより強力かつ効率的にする材料である。特殊な材料が3つの空間方向と時間方向に周期的に配置されていることが特徴であり、光の特性を正確に制御することができる。
カールスルーエ工科大学(KIT)の研究者は、アールト大学、東フィンランド大学、中国のハルビン工程大学のパートナーとともに、このような4次元材料を実用化する方法を示した。研究チームは、Nature Photonics誌に研究成果を報告している。(DOI:10.1038 / s41566-024-01563-3)。

フォトニックタイムクリスタルは、空間のどこでも同じだが、その特性は時間とともに周期的に変化する材料で構成されている。この時間周期的な変化により、光のスペクトル組成を的確に変化させ、増幅することが可能となり、光情報処理の重要な要素となる。
「これにより、新たな自由度が開かれるが、多くの課題も生じる。この研究は、すべての光周波数が使用され、増幅される情報処理システムにこれらの材料を使用するための道を開くものである」と、理論固体物理学研究所およびKITナノテクノロジー研究所のCarsten Rockstuhl教授は話している

4次元フォトニック結晶に一歩近づく
フォトニック時間結晶の中心的なパラメータは、運動量空間におけるバンドギャップである。説明すると、運動量は光が伝搬する方向の尺度。バンドギャップは、光が増幅されるために光が伝播する必要がある方向を表し、バンドギャップが広いほど、ゲインは大きくなる。
「これまで、大きなバンドギャップのために、フォトニック時間結晶の屈折率などの材料特性の時間周期的な変化を強める必要があった。そうして初めて、光は増幅される。ほとんどの材料でその可能性は限られているため、これは大きな課題である」と、この研究の2人の筆頭著者の1人、Puneet Gargは説明している。

その解決策として、研究チームはフォトニック時間結晶と追加の空間構造を組み合わせて「フォトニック時空結晶」を構築した。これは、光を「捕捉」し、従来よりも少し長く保持するシリコン球で作られたフォトニック時間結晶を組み込んだものである。このようにして、光は材料特性の周期的な変化に対してはるかによく反応する。
「われわれは、光と物質の相互作用を増幅する共鳴について話している。このような最適に調整されたシステムでは、バンドギャップはインパルス空間のほぼ全体に広がる。つまり、光は伝播方向に関係なく増幅される。これは、このような新しい光学材料の実用化に向けたパズルの欠けているピースの可能性がある」と、筆頭著者でもあるXuchen Wangは説明している。

「われわれは、フォトニック材料におけるこのブレークスルーに非常に興奮しており、われわれの研究の長期的な影響にワクワクしている。このようにして、現代の光学材料研究の大きな可能性を引き出すことができる。この考え方は、光学やフォトニクスに限らず、物理学の多くのシステムに適用でき、様々な分野での新しい研究を刺激する可能性がある」とRockstuhlは話している。

この研究プロジェクトは、ドイツ研究財団(DFG)の資金提供を受けた共同研究センタ「Waves:Analysis and Numerics」で実施され、ヘルムホルツ研究フィールド情報に組み込まれている。