June, 10, 2025, Zurich--ETH-Zurichの物理学者たちは、魔法の特性を持つレンズを開発した。超薄型で、入射光の波長を半分にすることで赤外光を可視光に変換することができる。
レンズは、最も広く使用されている光学デバイス。たとえば、カメラのレンズや対物レンズは、焦点に光を向けることで鮮明な写真やビデオを生成する。ここ数十年の光学分野での進化の速さは、従来のかさばるカメラが今日のコンパクトなスマートフォンカメラに変わったことに表れている。
高性能なスマートフォンのカメラでさえ、電話の最も厚い部分を占めることが多いレンズのスタックが必要になる。このサイズの制約は、従来のレンズ設計に固有の特徴であり、厚いレンズは、光を曲げて、カメラセンサでシャープな画像をキャプチャするために重要である。
過去10年間の光学分野における大きな進歩は、この限界を克服しようとし、メタレンスの形で解決策を考え出した。それらは平らで、通常のレンズと同じように機能し、平均的な人間の髪の毛の40倍の薄さだけでなく、ガラスで作る必要がないため軽量である。
幅と高さがわずか100nmの構造で構成された特殊なメタサーフェスは、光の方向を変更する。このようなナノ構造を使用することで、研究者はレンズのサイズを根本的に縮小し、よりコンパクトにすることができる。
これらのナノ構造を特殊な材料と組み合わせることで、光の他の珍しい特性を探索することができる。その一例が非線形光学で、光はある色から別の色に変換される。緑色のレーザペンは、この原理にしたがい動作する。赤外線が高品質の結晶材料を通過し、波長の半分の光(この場合は緑色光)を生成する。このような効果を生み出すよく知られた材料の1つは、ニオブ酸リチウム(LN)である。これは、テレコム業界では、エレクトロニクスと光ファイバをインターフェースするコンポーネントを作成するために使用される。
ETH-Zurichの量子エレクトロニクス研究所のRachel Grange教授は、そのような材料を使用したナノ構造の作製に関する研究を行っている。同教授とそのチームは、LNを使用してメタレンズを作成できる新しいプロセスを開発した。この研究は最近、Advanced Materials誌に掲載された。
同教授の新しい方法のために、物理学者は化学合成と精密ナノエンジニアリングを組み合わせている。「LN結晶の前駆体を含む溶液は、液体状態のままでスタンプできる。Gutenbergの印刷機と同じように機能する」と、Rachel Grangeと一緒に研究している博士課程の学生である共同筆頭著者のÜlle-Linda Taltsは説明している。材料を600℃に加熱すると、緑色レーザペンのように光を変換できる結晶性を帯びる。
このプロセスにはいくつかの利点がある。LNナノ構造の製造は、非常に安定で硬いため、従来の方法では困難。研究者によると、この技術は、逆型を複数回使用できるため、必要な数のメタレンスをプリントできるため、大量生産に適している。また、他のLN小型光学デバイスよりもはるかに費用対効果が高く、製造が高速。
新たな光を生み出す超薄型レンズ
この技術を使用して、GrangeのグループのEETH-Zurich研究者は、精密に設計されたナノ構造を持つ最初のニオブ酸リチウムメタレンセスを作成することに成功した。通常の集光レンズとして機能しながら、レーザ光の波長を同時に変化させることができる。メタレンズを通して波長800nmの赤外光を照射すると、反対側に波長400nmの可視光線が現れ、指定された点に向けられる。
Rachel Grangeが言うところの、この光変換の魔法は、超薄型メタレンズの特殊な構造と、非線形光学効果と呼ばれるものの発生を可能にする材料の構成によってのみ可能になる。この効果は、定義されたレーザ波長に限定されないため、このプロセスは幅広いアプリケーションで非常に汎用性がある。
偽造防止紙幣から次世代の顕微鏡ツールまで
メタレンズや類似のホログラム生成ナノ構造は、紙幣や証券を偽造防止し、芸術作品の真正性を保証するためのセキュリティ機能として使用することができる。その正確な構造は可視光線で見るには小さすぎるが、非線形の材料特性により信頼性の高い認証が可能になる。
また、研究者は、シンプルなカメラ検出器を使用して、レーザ光の放射を変換および操作し、センサなどの赤外線を可視化することもできる。また、最先端の電子機器製造における深紫外(DUV)光パターニングに必要な装置の削減にも役立てられる。
このような超薄型光学素子の分野は、メタサーフェスと呼ばれ、物理学、材料科学、化学の界面における比較的新しい研究分野である。「われわれはこれまで表面をなぞったに過ぎないが、このタイプの費用対効果の高い新しい技術が将来いかに大きなインパクトを与えるかを考えて非常に興奮している」とGrangeは強調している。