ナノフォトニクス:光と物質を結合するより効率的な方法

June, 24, 2025, Munich--LMUの研究者は、原子層状システムで作られた超薄型光学部品を開発しており、従来の材料よりもはるかに優れた光を捕らえている。これにより、将来的には、フォトニックコンポーネントの小型化と効率化が進む可能性がある。

ナノメートルの範囲(10億分の1メートル)では、光と物質の間で相互作用が起こり、これはより大きなスケールでは起こらない。このように、いわゆるナノフォトニック材料は、技術的な可能性の全範囲を開くユニークな光学特性を持っている。LMUの実験物理学教授Andreas Tittlが率いる研究チームは、比較的弱い光にも強く反応する非常に薄い光学部品の製造を可能にする方法を開発した。「将来的には、これらの薄い部品が、小型で感度の高いセンサ、よりエネルギー効率の高いコンピュータ部品、より高速な光通信への道を開く可能性がある」とTittlは話している。チームは、ジャーナルNature Photonicsでその方法を報告した。

使用されるナノフォトニック材料は、いわゆるメタサーフェスに基づいており、メタサーフェスは一般に光の波長よりも小さい規則的なパタンを持っている。フォトニック共振器は、ナノメートル範囲のこれらの小さな構造に付けられた名前であり、光を含む入射電磁波の振幅、位相、偏光を変化させることができる。したがって、適切なメタサーフェスを使用すれば、光線を正確に制御し、例えば、光線を貯蔵したり、増幅したり、消火したりすることが可能になる。

まず、Tittlが率いる研究チームは、メタサーフェスの概念を、個々の層が1つまたは2つの原子シートで構成できる多層の2D材料に統合した。「最もよく知られている2D材料はグラフェンだが、実際には他にもかなりの数の材料が利用可能だ。これらの材料を結晶の形で購入し、顕微鏡で個々の層を取り除き、紙のように積み重ねることができる。このようにして、それらの原子配列を正確に制御し、強いプレーンな共有結合と弱い層間相互作用を持つ材料を得ることができる。専門家はこれらをファンデルワールス(van der Waals)材料と呼び、現代の材料研究の重要な焦点となっている」(Tittl)。

コンセプトの組み合わせ
しかし、「これまで、文献は複数の2D材料の巨視的なスタックで止まっていた」(Tittl)。
同氏のグループは、追加のナノリソグラフィープロセスを利用して、ファンデルワールススタックにさらに構造パラメータを追加し、メタサーフェス上の光と物質の相互作用を増幅した。
「そこで、2D材料を別々の既製のナノ構造に配置したり、かさばる外部光学共振器を使用したりするのではなく、共鳴構造を直接van der Waals stack,に組み込んだ」(Tittl)。
研究チームは、このようにして作成されたコンポーネントを「van der Waalsヘテロ構造メタサーフェス」、略してvan der Waals-HMsと名付けた。

具体的には、チームはミュンヘン工科大学のAchim Hartschuh教授が率いるグループの研究者と共同で、二硫化タングステンの個々の半導体層であるWS2を、六方晶窒化ホウ素のいくつかの保護層の間に詰め込んだ。次に、リソグラフィ技術を使用して、この材料スタックに周期構造を組み込み、そこでは光が効率的に相互作用する。材料内の電子は入射光によって励起され、光粒子(光子)に結合される。専門家は、これらのハイブリッド光物質粒子を「励起子-ポラリトン」と呼んでいる。それらは物質的な特性と光のような特性の両方を持ち、粒子の大部分が同じ量子力学的状態に存在する物質の極端な状態であるボース・アインシュタイン(Bose-Einstein)凝縮体と同様に、凝縮することができる。

非常に効率的に光を捕らえる共振器
光と物質の間の相互作用を可能な限り高め、不要な回折を制御するために、研究チームは理論モデリングとシミュレーションを実施した。このようにして、チームはvdW-HMsを最適化することができ、以前に報告されたよりも1,000倍低い光強度にも反応するナノフォトニックコンポーネントにたどり着いた。「基本的に、われわれは光を非常に効率的に捕らえる超薄型共振器を開発し、それを使用できるようにした」と、Tittlのチームのメンバー、研究の筆頭著者Luca Sortinoは説明している。

さらに、「われわれは今、2つの材料科学の概念を組み合わせ、このモデルを他の多くの2D材料に拡張するための、いわばツールキットを手に入れた」(Sortino)。したがって、カスタマイズされた光電子特性を持つ様々なナノフォトニックコンポーネントを開発することが可能になる。研究チームは現在、この可能性をさらに調査することを計画している、とSortinoは明らかにしている。

チームは、vdW-HMsが新しい機能を備えた超薄型でフラットな光学部品の開発を促進することを望んでいる。例えば、高速光スイッチ、ニューロモルフィックコンピューティング、いわゆるポラリトンレーザ(チップに直接組み込むことができる可能性がある)、量子現象を研究するための新しいプラットフォームなどが考えられる。