ハーバード、フラット光学における予想外の突破口

January, 23, 2026, Cambridge--ハーバードの研究室での予期せぬ発見が、従来の光学メタサーフェスを作るためにシリカという非伝統的な材料を選ぶという画期的な洞察をもたらした。メタサーフェスはナノスケールで光を制御する超薄くフラットな構造で、すでにレンズや鏡などの従来の光学デバイスに取って代わっている。

ジョン・A・ポールソン工学応用科学部(SEAS)の応用物理学Robert L. Wallace教授、電気工学Vinton Hayes Senior Research Fellow、Federico Capasso研究室と、リスボン大学のMarco Piccardo教授率いる共同研究チームは、長年、より専門的なメタオプティクスのために光を十分に曲げられないという前提にもかかわらず、場合によってはガラスの基本構成要素であるシリカがメタサーフェスの作成に利用できることを発見した。この研究は『Nano Letters』に掲載されている。

メタサーフェスは、ナノスケールの小さな柱のような構造でパタン化された平らでコンパクトな装置で、それぞれが光に影響を与えるよう精密に設計されている。ハーバードのCapassoのチームは、可視スペクトルメタサーフェスの驚異的な物理学と、カメラ、顕微鏡、センサ、通信システムなどの革命の可能性をいち早く探求したチームの一つだった。

常識:屈折率が高い方が良い
メタオプティクスの分野が発展するにつれ、従来の知見では、このスケールの光を制御するのに理想的な材料クラスが挙げられてきた。最も好まれているのは、屈折率が高い材料で、光を強く遅く曲げ、光の位相を完全に制御できるものである。二酸化チタンは透明で光をあまり吸収しないため人気がある。シリコンもまた、高い屈折率と製造の容易さからその一例。

もう一つの透明で広く理解されている材料、二酸化ケイ素は、屈折率が比較的低く、光に対してより穏やかな効果を持つため、メタサーフェスにはあまり好ましくないと考えられてきた。しかし、シリカには興味深い利点がある。高出力レーザを損傷なく扱え、大規模なチップ製造プロセスにも完全に互換性がある。

ある日、研究室で筆頭著者のLuca Sacchiはシリカで作られたメタサーフェスの人工サンプルを測定していた。サンプルは欠陥だらけながらも、多くの波長の光で「驚くほど良好に」機能し、まるでレンズのように振る舞っていることにSacchiは気づいた。

「ちょっと変で、少し予想外だった」と、ハーバード大学のCapasso Lab研究員、Sacchiは語った。「もし同じことが二酸化チタンのような高屈折率の材料でも行われたら、挙動は違っていただろう。」

「不完全な」シリカメタ表面についてもっと知りたいと考え、彼らは、元Cappasoグループのメンバーであり現在リスボン大学に所属するPiccardoと協力した。Piccardo Labは特定のナノスケール製造プロトコルを専門とし、正確な仕様でシリカメタ表面を作り出せる技術を専門としている。

リスボンのパートナーと協力して実験サンプルを作成し、ハーバードの研究室で試験した後、研究チームはシリカのような低屈折率材料の隠れた特徴として、各ナノピラーの形状を慎重に考慮すればメタサーフェスとして振る舞うと結論づけた。

「さらに、これらの光学メタサーフェスの設計空間において、低屈折率材料を用いるべきか、高屈折率材料を用いるべきかを正確に理解し始めた」(Sacchi)。

シングルモードナノピラー
『Nano Letters』でのチームの報告によると、低屈折率材料、つまり光を著しく屈折させない材料は、シリカのような低屈折率材料では、各エッチングされたナノピラーが単一のクリーンな光の経路しか支えないため、メタ表面に一般的に使われてきた高屈折率材料よりも優れた性能を発揮できる。

光が複数の経路に分割されないため、光モード間の干渉が起きないこの「シングルモード」領域では、望ましい位相プロファイルと光の透過率を実現できる。その結果、低屈折率材料は、より広いナノピラーと光の波長に対して広い間隙を持つ、より緩やかな特徴サイズを持つデバイスの効率的な設計を可能にする。

これは現実世界のメタサーフェスを考える際に重要である。もし特定の場合、ガラスやシリカメタサーフェスが最も優れた性能を発揮するなら、より高価で時間のかかる電子ビームリソグラフィではなく、フォトリソグラフィのような標準的なツールで作ることができ、コストを下げ、既存のチップ製造プロセスに統合できる。研究チームは、シリカメタサーフェスが製造ミスに対してより寛容であることも示し、商用デバイスとしての可能性をさらに強調した。

「ここで強調するシリカメタオプティクスの利点は、ナノファブリケーションにおける大きな障害のためにこれまで部分的に見過ごされてきた」とPiccardoは話している。「現在、垂直側壁を持つ非常に高いナノピラーをエッチングできるようになり、この低屈折率プラットフォームを最大限に活用でき、その利点を活かして刺激的なアプリケーションに活用できる。低屈折率メタ曲面は本質的に二つの重要な利点を提供する。複雑な分散工学を必要とせずに広範で良好な色反応を実現すること、さらに製造エラーに対する強靭性であり、これがまさにわれわれの初期の好奇心が理解しようとしたことである。」

現在UC Berkeley研究者であるSacchiは、この結果がメタサーフェス材料に関する一般的な誤解に挑戦し、「常に自分の前提を疑うのが良い」ことを思い出させてくれる良いメッセージだと話している。

Capassoはこの発見を「ナノテクノロジーにおける直感に反する画期的突破口」と呼んた。

「われわれは一気に多くの高性能フラット光学デバイス(レンズ、格子、位相板)を低屈折率材料で実証し、スケーラブルで製造可能なエラー耐性のあるフラット光学への道を開く可能性がある」(Capasso)。