光輸送に革命：新モデルが先進光学への道を開く

図示された新構造は、一つのことだけを目的として設計されました：光の形を輸送中に変えること。最近の論文で、Mercedeh Khajavikhan教授と彼女のチームは、新しい理論モデルを用いてこれを実現する方法を示しました。これ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があります。

光はレーザーで生成されイメージングとセンシングに用いられ、光ファイバーケーブルを通じて高度な通信に利用され、チップに組み込まれてコンピューティング能力を過去の世代が夢見たレベルまで高めます。これらの進歩はそれぞれ機械、航空宇宙、生物医学、コンピュータエンジニアによって新デバイスとして構築されたものですが、その出発点はフォトニクスにあります。

光粒子は波として移動する傾向があり、フォトニクスはそれらの波を活用する科学です。量子もつれ光子を用いた最先端量子通信実験から、スマートフォン画面、LiDAR、光ファイバーインターネットなどの日常技術まで、フォトニクスは多くの人が認識している以上に私たちの生活を変えてきました。1世紀以上の歴史を持つこの分野でも、研究者たちは新たなフロンティアへ挑み続けています。

そのフロンティアの一つがトポロジカルフォトニクスです。伝統的なフォトニクスとトポロジカル物理学を組み合わせた分野で、後者はノーベル賞受賞者で元USC教授のDuncan Haldane氏らによって開拓されました。トポロジカル物理学（形状とその空間配置の数学的研究）は、エレクトロニクスの多くの興味深い特性を説明し、いくつかの新材料・デバイスの開発につながりました。今、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、研究者たちはこれまでに見られなかったさらに創造的な光構造を設計できるようになりました。

では、この新構造の何が特別で、どう構築したのでしょうか。チームはまずトポロジカル物理学を用いて探求したい設計を考案します。次にシミュレーションを実行し、構造内の要素がどう相互作用すべきかを理解します。次に、構造全体を構成する個々のセル（小さな構成ブロック）を設計します。セル設計が完了したら、それらをどう配置して構造を形成するかを決定します。最後に、設計をナノファブリケーションクリーンルームに持ち込み、物理的製品（0.25平方ミリメートル未満のサイズ）を製造します。残るのは、光が流れると新しい形に形成する完全にユニークな構造です。この新しい形状は、より良いレーザー純度と高い効率などの新たな特性を持ちます。

それだけでも印象的ですが、Khajavikhan教授と彼女のチームはさらに進みました。ここで物理学とフォトニクスの組み合わせが真に活きてきます。トポロジカル材料は驚異的な新しい輸送特性を示せますが、「オン」と「オフ」の状態を容易に切り替えることはできません。これらの光構造を最先端レーシングカーに例えると、より速く、より鋭く曲がり、競合より多くのことができます。しかし、一度エンジンをかけたら二度と止められないなら、実用的な機械とは言えません。

USCチームがまさに達成したのは、この新しい光を制御することでした。フォトニックシステムから「光ポンピング」と呼ばれる技術を導入し、構造のトポロジカル特性にオン・オフ切り替え能力を与えました。光の形状だけでなく、いつ、どうシステムを流れるかを制御できることは極めて重要です。

研究者たちにとって、この新構造への取り組みはまだ始まったばかりです。「私たちの発見は、トポロジカルシステム研究への完全に新しい道を開きます。ホログラフィックスクリーンや高出力レーザーなど、多くの産業の顔を変えるさらなる設計のエンジニアリングを計画しています」とKhajavikhan教授。