ジャイロモルフ、あらゆる方向の光をブロックする

January, 29, 2026, Washington--アメリカの科学者たちは、将来的に光を光コンピュータ内部に導く可能性があると考える新しい種類の無秩序物質を開発した(Phys. Rev. Lett., doi: 10.1103/gqrx-7mn2)。チームはまだ実験室で「gyromorph」マテリアルを作っていないが、シミュレーションを通じて特定の周波数の全方向の通過を遮断することが示されている。

3Dで光をブロック
数十年にわたり、研究者たちはフォトニック結晶を使って光を導いてきた。これらの材料は屈折率が周期的に変化する構造で構成されており、特定の電磁波帯の透過を妨げるのと同様に、半導体内のポテンシャルの変化が特定の電子エネルギー帯をブロックする。しかし、その周期的構造に固有の対称性を考慮すると、フォトニック結晶は全方向の光をブロックするわけではなく、異方性バンドギャップを示す。

近年では、非周期性材料を用いて光を等方的にブロックする方法を示すグループもある。当初は二次元に限定されていたが、昨年プリンストン大学のPaul Steinhardtらは、いわゆる無秩序ステルス超均一構造を用いて三次元(マイクロ波周波数)の光をブロックした。

しかし、ニューヨーク大学のスstefano Martinianiらが最新の研究で説明しているように、これらの構造は等方性バンドギャップを示していたものの、ブロック効果は限定的であり、すべての方向での光透過を減少させたものの、部分的なものだった。

新しい素材
より顕著な三次元等方性を実現するために、Martinianiらはすべての材料に共通する等方性光子バンドギャップを示す特徴があるかどうかを自問した。そのために、単一散乱領域、すなわち入射フォトンが物質に入る際に一度だけ散乱するという理想化されたシナリオを考えた。チームによると、これらの条件下で、ある周波数での強い散乱と隣接する周波数での弱い散乱によってバンドギャップが生じる。

これまでに研究されたすべての非周期性系の等方性フォトニックバンドギャップを調査した科学者たちは、これらの系が構造因子として知られる散乱パラメータに「高い値の等方性環」を持つことに気づいた。研究チームはこの性質を可能な限り強調しようとし、最終的に「gyromorphs」と呼ばれる相関した無秩序構造を生み出した。これは、液体のように平行移動構造を持たず、大スケールで回転秩序を持つ物質である。

研究チームはスペクトル最適化手法を用いてgyromophsをシミュレートし、その結果を超均一構造、準結晶、その他の競合系の性質と比較した。チームは、新しい材料が二次元と三次元の両方で光をより完全にブロックすることを発見した。

将来の試験とアプリケーション
gyromorphsを実験的に検証可能な構造に変えるために、Martinianiの同僚Mathias Casiulisによると、スイスの実験協力者が3Dプリンティングを使ってそれらを製作しようとしている。Casiulisは、マイクロ波や赤外線波長では比較的簡単に実現できるはずだと考えているが、可視光範囲で材料を製造する際には「さらにいくつかの実験的ハードル」があると付け加えている。小規模構造は製造コストが高く、正確に作るのが難しい、と説明している。

研究者たちは、これらの材料が実現すれば、自由形状の導波路や調整可能な反射率を持つコーティングなど、様々なオプトエレクトロニクス部品の製造に利用できると考えている。チームは、その独自の特性を利用して光コンピュータの製造にも活用できると主張している。光コンピュータは、理論上は既存のコンピュータよりもはるかに速く効率的に動作できる未来的な装置でありながら、光を最小限の損失で回収できる導波路を必要とする。

Casiulisは、他のグループがすでに試作型の導波路を製造しているが、それらの装置は高価で完全な光コンピュータには適していないと説明している。「だからこそ、多くの努力が材料科学に関わっているのだ。部品の性能、柔軟性、製造コストを大規模製造に適合させる必要がある」と同氏は話している。