ある場所から別の場所に光を導くことは、現代の情報世界の根幹です。光ファイバー ケーブルは深海と広大な大陸を横断し、髪の毛ほどの細いファイバーで YouTube のビデオ クリップから銀行振込に至るまで、あらゆるものを含む光を運びます。しかし、シカゴ大学のジウン・パーク教授は、繊維をより薄く平らにするとどうなるのかを知りたいと考えていました。非常に薄いため、実際には三次元ではなく二次元になっていました。光はどうなるのでしょうか？
シカゴ大学の科学者らは、わずか原子数個の厚さのガラス結晶が光を捉えて運ぶことができ、さまざまな用途に使用できることを発見した。研究の共著者であるHanyu Hon氏が持っているプラスチックの中心にある細い糸がこの物質だ。画像出典: ジャン・ラシャ
一連の革新的な実験を通じて、彼と彼のチームは、ほんの数原子の厚さのガラス結晶の薄いスライスが光を捉えて運ぶことができることを発見しました。それだけでなく、驚くほど効率的で、光ベースのコンピューティングの世界では非常に遠い 1 センチメートルという比較的長い距離を移動することができます。
レーザー研究所のジウン・パーク教授（左）と科学者のハンユ・ホン（右）。そこで彼らは、光そのものより小さいにもかかわらず、この材料が光を運ぶことができることを確認した。画像出典: ジャン・ラシャ
最近サイエンス誌に発表されたこの研究は、本質的に二次元のフォトニック回路とは何かを実証し、新しい技術への道を開く可能性がある。
「私たちは、この極薄結晶の強力さに完全に驚きました。エネルギーを保持できるだけでなく、同様のシステムでこれまでに誰も見たことのない数千倍も遠くまでエネルギーを届けることができます。また、閉じ込められた光は、あたかも二次元空間を移動しているかのように振る舞います」と、この研究の筆頭著者であり、ジェームズ・フランク研究所およびプリツカー分子工学大学院の化学科教授兼学部長であるジウン・パーク氏は述べた。
ガイドライト
新しく発明されたシステムは、導波路として知られる、本質的に二次元の光を導く方法です。研究者らはテストで、回路とコンピューティングのすべての要素である非常に小さなプリズム、レンズ、スイッチを使用して、チップの経路に沿って光を導くことができることを発見した。
フォトニック回路はすでに存在しますが、それははるかに大きく、三次元的です。重要なことは、既存の導波路では、光の粒子、いわゆるフォトンが常に導波路内に閉じ込められて伝播することです。
科学者らは、この系ではガラス結晶が実際には光子そのものよりも薄いため、光子の一部が実際に移動する際に結晶から突き出ると説明している。
シカゴ大学のパーク教授の研究室で資料を調べるジウン・パーク教授（左）と科学者のハンユ・ホン（右）。テストでは、小さなプリズム、レンズ、スイッチを使用して、回路とコンピューティングのすべての要素であるチップの経路に沿って光を導くことができます。写真提供者: Jean-Rachat
これは、空港でスーツケースを運ぶためのチューブを構築するのと、ベルトコンベアにスーツケースを乗せるのに似ています。ベルトコンベア上ではスーツケースがオープンエアになっており、途中で簡単に確認して調整することができます。このアプローチにより、光はレンズやプリズムを容易に通過できるため、ガラス結晶から複雑なデバイスを作成することが容易になります。
フォトンは、途中の状況に関する情報を経験することもできます。外から入ってくるスーツケースをチェックして、外で雪が降っていないかどうかを確認してみてください。同様に、科学者はこれらの導波管を使用して顕微鏡レベルのセンサーを作成することを想像できます。
「液体のサンプルがあり、特定の分子の存在を感知したいとします」と Park 氏は説明します。 「導波路がサンプルを通過するように設計することができます。その分子の存在によって光の挙動が変化します。」
科学者は、同じチップ領域にさらに小さなデバイスを集積するために相互に積み重ねることができる非常に薄いフォトニック回路の構築にも興味を持っています。これらの実験で使用されたガラス結晶は二硫化モリブデンでしたが、この原理は他の材料にも当てはまります。
理論科学者らはこのような挙動が存在するはずだと予測していたが、実際に研究室でそれを実現するには何年もかかるプロセスだったと科学者らは述べた。
「これは非常に困難でしたが、満足できる問題でした。なぜなら、私たちはまったく新しい分野に参入したからです。したがって、材料の成長から光の動きの測定に至るまで、必要なものはすべて自分たちで設計する必要がありました」と、大学院生で論文の共同筆頭著者であるハンユー・ホン氏は語った。