光の流れを設計する

図に示されている新しい構造は、1つのことを行うように設計されています。それは、輸送される光の形状を変更することです。最近の論文で、メルセデーハジャビカン教授と彼女のチームは、私たちの生活の多くの側面に深い影響を与える可能性のある新しい理論モデルを使用して、これをどのように行うことができるかを示しました。

光は、イメージングとセンシング用のレーザーによって生成され、高度な通信用の光ファイバーケーブルを通過し、チップに組み込まれて、以前の世代が夢にも思わなかったレベルまでコンピューティング機能を向上させることができます。これらの進歩はそれぞれ、機械、宇宙工学、生物医学、またはコンピューターエンジニアによって構築された新しいデバイスで終わった可能性がありますが、フォトニクスで始まりました。

光の粒子は波として動く傾向があり、フォトニクスはそれらの波を利用する科学です。絡み合った光子を使った量子通信の最先端の実験から、スマートフォンの画面、LiDAR、ファイバーインターネットなどの日常の技術まで、フォトニクスはほとんどの人が認識している以上に私たちの生活を変えました。そして、この分野は1世紀以上前から存在していますが、研究者たちは依然として新しいフロンティアを推進しています。

これらのフロンティアの1つは、トポロジカルフォトニクスと呼ばれます。これは、従来のフォトニクスと位相物理学を組み合わせたものです。この分野は、ノーベル賞受賞者で元USCのダンカンホールデン教授によって部分的に開拓された分野です。トポロジー物理学—形状と空間におけるそれらの配置の数学的研究—は、エレクトロニクスの多くの興味深い特性を説明するために使用され、いくつかの新しい材料とデバイスの開発につながりました。現在、トポロジカル物理学とフォトニクスを組み合わせることで、研究者はさらに創造的でこれまでにない光構造を設計することができます。

では、この新しい構造の何が特別で、どのように構築したのでしょうか。チームは最初にトポロジー物理学を使用して、調査したい設計を考え出します。次に、シミュレーションを実行して、構造内の要素が互いにどのように相互作用するかを理解します。次に、個々のセル、つまり構造全体を構成する小さなビルディングブロックを設計します。セルの設計が完了したら、構造を形成するためにセルをどのように配置するかを決定する必要があります。最後に、設計はナノファブリケーションのクリーンルームに持ち込まれ、そこで物理的な製品（サイズが0.25平方ミリメートル未満）が構築されます。私たちに残されているのは、光が流れると新しい形に光を形作る、まったくユニークな構造です。この新しい形状は、レイジングの純度の向上や効率の向上など、新しい品質を備えています。

それが印象的だったのと同じくらい、Khajavikhanと彼女のチームはさらに先に進むことにしました。そして、ここで物理学とフォトニクスの組み合わせが実際に機能します。トポロジカル物質は驚くべき新しい輸送特性を示すことができますが、「オン」状態と「オフ」状態を簡単に切り替えることはできません。最先端のレースカーのようなこれらの軽い構造について考えてください。彼らはより速く動き、より激しく向きを変え、競合他社よりも多くのことを行うことができます。しかし、エンジンを始動した後で車の電源を切ることができない場合、それはあまり実用的な機械ではありません。

それがまさにUSCチームができたことです—この新しい光を制御します。彼らは、構造のトポロジー特性にオンとオフを切り替える機能を与えるために、「光ポンピング」と呼ばれるフォトニックシステムからの技術を導入しました。光の形だけでなく、いつ、どのようにシステムを流れるかを制御する機能が最も重要です。

研究者にとって、この新しい構造に関する作業はほんの始まりに過ぎません。 「私たちの調査結果は、トポロジーシステムを研究するためのまったく新しい道を切り開き、ホログラフィックスクリーンや高出力レーザーなどの多くの業界の顔を変える可能性のあるより多くの設計を設計することを計画しています」とKhajavikhan氏は述べています。