カリフォルニア工科大学（Caltech）のエンジニアたちは、従来の光学部品では実現が非常に難しい、あるいは不可能な方法で光を操作できる平面型デバイスを開発しました。
この新しいデバイスはガラス製ではなく、精密にハニカム状に配列されたシリコン製ナノピラーで作られています。これにより「メタサーフェス」と呼ばれる構造が生まれ、通過する光波の経路や特性を制御できます。
2015年8月31日にオンライン公開された論文で紹介されたこれらのメタサーフェス・デバイスは、学術誌 Nature Nanotechnologyに掲載されており、先進的な顕微鏡、ディスプレイ、センサー、カメラなどの超小型光学システムにつながる可能性があります。これらは、コンピューターのマイクロチップの製造に使われるのと同じフォトリソグラフィー技術を用いて量産できる可能性があります。
「現在、光学システムは一度に一つずつ部品を製造しており、部品はしばしば手作業で組み立てられています」と述べたのは、応用物理学・材料科学のアシスタント教授で、本研究の主任研究者でもある Andrei Faraon （BS ’04）です。「しかし、この新技術は、半導体チップをシリコンウェハー上に印刷する技術と非常によく似ているため、理論上は一度に数百万台の顕微鏡やカメラのようなシステムを製造できる可能性があります。」
走査型電子顕微鏡で見ると、チームが作製した新しいメタサーフェスは、切り株だけが残った伐採後の森に似ています。各シリコンの切り株、すなわちピラーは楕円形の断面を持ち、各ピラーの直径を慎重に変え、それぞれを軸の周りで回転させることで、研究者たちは通過する光の位相と偏光を同時に操作することができました。光は電磁場であり、単色、すなわち単一波長の光の電場は、空間のすべての点で同じ周波数で振動するものの、相対的な遅れ、すなわち位相は異なっています。
この相対的な遅れ、すなわち位相を操作すると、光線がどの程度曲がるかに影響し、それによって画像の焦点が合うかどうかに影響します。
偏光とは、空間の各点における電磁場の振動の軌跡を指します。光の偏光を操作することは、先進的な顕微鏡、カメラ、ディスプレイの動作に不可欠であり、偏光の制御は、3Dメガネや偏光サングラスのような身近な製品も可能にしています。
「メタサーフェスを用いることで、光の偏光と位相を完全に制御できるようになりました」と、本研究の筆頭著者でありCaltechの上級研究員であるAmir Arbabi氏は述べています。「入射する光を任意に取り込み、その位相と偏光のプロファイルを、非常に高い効率で自在に形作ることができます。」
同じ目標は、ガラスレンズ、プリズム、空間光変調器、偏光子、波長板などの複数の従来型光学部品を組み合わせることでも達成できますが、こうした多くの部品は、はるかに大型のシステムにつながります。「最新の顕微鏡には、内部で慎重に組み立てなければならない複数の部品があります」とFaraon氏は言います。「しかし、私たちのプラットフォームでは、これらの光学部品をそれぞれ製造し、自動化されたプロセスで非常に簡単に積み重ねることができます。各部品の厚さは、わずか100万分の1メートル、すなわち人間の髪の毛の厚さの100分の1未満です。 」
また、コンパクトであることに加えて、メタサーフェス・デバイスは、現在の装置では非常に困難、場合によっては不可能な新しい方法で光を操作できます。例えば、Caltechのチームは、メタサーフェスの一つが、水平偏光のビームで照らされると一つの画像を投影し、垂直偏光のビームで照らされると別の画像を投影することを示しました。「45度に偏光した光で照らすと、2つの画像が重なって見えます」とFaraon氏は言います。
別の実験では、チームはメタサーフェスを使って放射状偏光のビーム、すなわち偏光が光線の軸方向を向いているビームを作ることができました。このようなビームは、中心が空洞のドーナツ状の強度プロファイルを持ち、超解像顕微鏡、レーザー切断、粒子加速器に応用されています。「従来の機器でこの効果を生み出すには、一般的に複数の部品からなる大規模な光学装置が必要です」とArbabi氏は言います。「私たちの装置では、すべての光学部品を1つのデバイスに集約し、より高い効率と純度でこれらのビームを生成することができます。」
チームは現在、産業パートナーと協力して、小型カメラや分光計などの商用デバイス向けのメタサーフェスを開発していますが、すでに限られた数量が、他分野の共同研究者による光学実験用に製造されています。
さらに、Faraon研究室では、異なるメタサーフェスを組み合わせて機能する光学システムを構築し、色の歪みやその他の光学収差を補正する方法を研究しています。「どの光学システムでも歪みは生じます」とFaraon氏は述べました。「だからこそ、高価なカメラには内部に複数のレンズが搭載されています。現在、これらの収差を補正し、新たな機能を実現するために、異なるメタサーフェスを積み重ねる実験を行っています。」
本論文のタイトルは、 「サブ波長の空間分解能と高い透過率による位相と偏光の完全制御のための誘電体メタサーフェス」 Faraon氏とArbabi氏に加え、Caltechの他の共著者には、大学院生のYu Horieと、JPLのマイクロデバイス・エンジニアであるMahmood Bagheriが含まれます。本研究は、Caltech/JPLの社長・所長基金および国防高等研究計画局（DARPA）の支援を受けました。Yu Horieは、米国エネルギー省のエネルギーフロンティア研究センター・プログラムおよび日本学生支援機構フェローシップの支援を受けました。デバイスのナノ加工は、Caltechの Kavli Nanoscience Institute で行われました。
本記事は、 Caltechとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
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著者：Ker Thanは、Caltechのために執筆しています。
画像：シンガポール・ナイト・フェスティバル期間中、シンガポール・デザインセンターで、フランスのMiguel Chevalierと地元デザイナーのCarolyn KanおよびDepressionによる投影アート・インスタレーション「Pixel Wave 2015」と触れ合う人々。作品は人々の動きや相互作用に反応する幾何学模様を映し出します。REUTERS/Edgar Su
