SEAS、レンズなしで光を集束・ぼかす

February, 10, 2026, Cambridge--ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学応用科学部(SEAS)の応用物理学者たちは、レンズや鏡のような従来の光学要素を使わずに、光をカスタムで再現可能な三次元パターンに構造化する新しい方法を示した。研究チームの画期的な発見は、主に理論に限定されていた特異な自然現象の実験的証拠を提供する。

応用物理学のRobert L Wallace教授、電気工学のVinton Hayes上級研究員でもあるFederico Capasso研究室の研究者たちは、Optica誌であまり知られていないMontgomery効果の最初の実験実証を報告した。これは、コヒレントな光線が一見消えたかのように見え、その後、空間内で完璧な距離で鋭く再集束する現象。このレンズレスで繰り返し可能な光のパターン化は、顕微鏡、センシング、量子コンピューティングなど多くの分野で強力な新ツールの基盤を築く可能性がある。

この効果は1960年代に数学的に予測されていたが、制御された実験室条件下では観測されたことはなかった。この新しい研究は、その効果が実在するだけでなく、精密に設計・調整可能であることを強調している。

これらの実験は、Capassoグループのポスドク研究者、筆頭著者Murat Yessenovが主導した。同氏とチームは、今日多くの光学技術で利用されている密接に関連する現象に触発された。

この関連する現象はTalbot効果として知られ、ピケットフェンス(杭垣)のような周期的なパターンで刻印されたグレーティングと呼ばれる装置を通して細い光線が送られることで起こる。光はレンズが存在しないにもかかわらず、格子の完璧で繰り返し、均等に間隔を空ける像を生み出す。このタルボット効果は、今日ではレンズレス自己イメージングと呼ばれる技術、例えば完璧な間隔のマイクロパターンを必要とする高解像度リソグラフィなど、数多くの技術に活用されている。計測およびセンシングアプリケーション、原子あるいはガス粒子の光トラッピング。

しかしタルボット効果には重要な制約がある。回折格子の開始パターンが厳密に周期的である場合にのみ機能する。また、パターンの不要なコピーや背景光を生み出す傾向もある。そのため、自由空間でクリーンで制御された、集中した光を作るのが難しくなる。

1960年代、物理学者W.D.Montgomeryは、自己イメージングは周期的な光だけでなく、ほぼすべての光パターンに対して可能であるはずだと理論化した。しかし彼の予測は数学に限定され、部分的な実験実証はわずかだった。

Opticaの研究では、デジタルプロジェクタに似たプログラム可能な光学素子である空間光変調器という装置を使い、レーザビームの位相を精密に調整し、自己イメージングに必要な条件を数学的に満たせるようにした。チームは、スタート平面から離れるにつれて焦点が合わないビームを作った。それは、選択した距離の鋭い場所に再フォーカスし、このサイクルを自由空間で何度も繰り返すものだった。

研究チームは、この効果が単一のスポットだけでなく、ドーナツ型、複数のスポットの配列、より特殊なパターンなど、様々な構造化されたビームにも効果があることを示した。

「われわれの完全プログラム可能な自己イメージングプラットフォームは、大規模な中性原子ベースの量子コンピュータから同時多平面顕微鏡まで、幅広い分野で応用される可能性がある」とYessenovはコメントしている。

この方法は、背景の強度を低く保ちながら、明確に定義された場所に光を集中させることができるため、潜在的に強力な存在である。今日の実験量子コンピュータでは、中性原子を計算単位として使う場合、個々の原子は光ピンセットで正確な位置に固定される。これらの原子アレイは通常、単一の平面に限定される。

Capasso研究所の新しいアプローチにより、複数の深さで光学ピンセットのアレイを作成し、クリーンで強い光捕捉サイトを維持しつつ量子コンピュータの3Dアーキテクチャを構築する可能性がある。

この手法は、生物サンプルの多平面光学イメージングにも応用可能である。既存の方法は組織の平面をスキャンする必要があり、望ましくない背景光に悩まされる。ハーバード大学チームによる新しいアプローチは、光を最小限に抑えた鋭い励起面を可能にし、信号対雑音比を改善し、サンプルへの損傷を軽減する。

チームの次の目標は、新たに調整された光のビームをメタサーフェスに転送することである。メタサーフェスは超薄型のナノスチュッチ光学素子で、光を精密に制御でき、マイクロチップのように製造可能である。