ナノフォトニクス

はじめに

ナノフォトニクスは、ナノオプティクスとも称され、およそ1ナノメートルから数百ナノメートルといった極めて微小なスケールでの光の振る舞い、そしてそのスケールにある物質と光がどのように影響し合うかを研究する学術領域です。光学、光工学、電気工学、ナノテクノロジーといった様々な分野が融合した領域であり、特に金属構造が光を閉じ込める表面プラズモンポラリトンなどの現象が研究対象となることが多いです。

この分野で主に扱われるのは、紫外線、可視光線、近赤外線など、波長が300ナノメートルから1200ナノメートル程度の電磁波です。

研究の背景

一般的な光学部品、例えばレンズや顕微鏡は、光の回折現象による物理的な限界（レイリー基準など）のため、光を波長よりもはるかに小さな、すなわちナノメートルスケールまで絞り込むことは困難です。しかし、表面プラズモン、ナノスケールの金属物体周囲に発生する局在表面プラズモン、あるいは走査型近接場光顕微鏡（NSOM）や走査型トンネル顕微鏡で使用される微小な開口や鋭利な探針といった、従来の光学とは異なる技術を用いることで、光をナノメートルスケールに限定することが可能になります。ナノフォトニクスは、これらの技術を駆使して、光の回折限界を克服し、ナノスケールでの光の積極的な操作を実現しようとしています。

主な研究動機と応用分野

ナノフォトニクスの研究は、非常に広範な分野で様々な目標を追求しており、生化学から電気工学に至るまで多岐にわたります。

光エレクトロニクスとマイクロエレクトロニクス: 光を極めて小さな領域に閉じ込めることができれば、それに対応する小型の光検出器で効率的に光を捉えることが可能になります。小型の検出器は、低ノイズ、高速応答、低消費電力といった利点を持つ傾向があります。また、小型のレーザーは、低しきい値電流による電力効率の良さや、高速な光変調能力による大容量データ伝送といった、光通信において望ましい特性を備えます。このような超小型レーザーの実現には、波長よりも小さい光共振器が必要であり、スペーサーのようなプラズモンを利用した構造も研究されています。
集積回路の製造においては、光による微細パターン露光（フォトリソグラフィー）が用いられます。より高性能なトランジスタを作るには、極めて小さなパターンを正確に描き出す必要があり、液浸リソグラフィーや位相シフトフォトマスクといった技術が進歩していますが、プラズモニクス技術もさらなる微細化のためのアプローチとして提案されています。また、磁気ディスクドライブのデータ記録密度を高める熱補助型磁気記録技術では、データを書き込む前に磁性材料の微小な領域をレーザーで加熱する必要があり、ここでも光を正確な位置に集めるために金属ナノ光学部品が利用されます。
マイクロエレクトロニクスの小型化が進む中、集積回路内の情報伝達も、金属配線による電気信号だけでなく、チップ上の光導波路を用いた光信号による方法（オンチップ光通信）が検討されています。この場合、電子部品だけでなく光学部品も小型化する必要があり、ナノフォトニクスが重要な役割を果たします。

太陽電池: 太陽電池は、光がデバイスの表面近くで吸収される際に最も効率良く機能することが多いです。これは、表面近くで生成された電子が収集されやすいためです。デバイスを薄型化することはコスト削減につながりますが、光の吸収効率が低下する場合があります。研究者たちは、太陽電池内部で光が効果的に吸収される最適な場所に光を集中させるために、様々なナノフォトニクス技術（例えば、光散乱構造や表面プラズモン共鳴を利用した構造）を研究しています。

分光法: ナノフォトニクスは、狭い体積内に高い光強度を生成する「ホットスポット」を作るために利用されます。これにより、光エネルギーを小さな領域に集中させ、その場所の光強度を大幅に高めることが可能です。これは、表面増強ラマン散乱のような非線形光学現象の研究や応用において非常に有用です。また、従来の分光法では数百万から数十億の分子の平均的な応答を測定していたのに対し、ホットスポットを利用することで、単一分子レベルでの高感度な分光測定も実現可能になります。

顕微鏡法: 回折限界よりも高い解像度で像を得ることは、ナノフォトニクスの重要な目標の一つです。これを実現する技術として、メタマテリアルなどの人工物質やその他の技術を用いて、所謂「スーパーレンズ」を作成する試みがあります。また、走査型近接場光顕微鏡（NSOMまたはSNOM）は、波長よりはるかに高い解像度を実現する、全く異なるアプローチのナノフォトニクス技術です。これは、非常に鋭い探針や微小な開口を用いて対象表面を走査し、近接場光を検出することで像を形成します。より一般的には、近接場光学は、ナノスケールのサブ波長分解能を得るために近接場（物体のごく近傍にのみ存在する光場）を利用するあらゆる技術を指します。

主要な原理と技術

ナノフォトニクスを支える主要な原理と技術には、以下のようなものがあります。

プラズモンと金属光学

金属は、光をその波長よりもはるかに小さな領域に閉じ込める効果的な媒体となり得ます。これは、金属の誘電率が可視光の周波数領域で大きな負の値をとることに起因します。アンテナや導波管といった無線およびマイクロ波工学の技術は、ナノスケールに縮小された金属構造にも応用可能であり、電場が構造の先端や隙間に集中する現象（避雷針に電場が集中するのと類似）を利用します。多くのナノ光学設計は、マイクロ波回路と類似した構成を持ちますが、光学周波数においては金属が理想的な導体として振る舞わず、力学インダクタンスや表面プラズモン共鳴といったプラズモンに起因する特有の興味深い効果が現れます。また、光学的な電場はマイクロ波とは根本的に異なる形で半導体と相互作用します。

近接場光学

物体の微細な構造や鋭いエッジといった高空間周波数成分に対応する光は、物体のごく近傍、通常は1～2波長以内にのみ存在する「エバネッセント波」として放出されます。このエバネッセント波は遠方では急激に減衰するため、従来のレンズで遠方の光を捉えて結像する際には、このサブ波長の情報が失われ、像がぼやけてしまいます。これが回折限界の根本的な原因です。ナノフォトニクスは、主にこの近接場に存在するエバネッセント波を積極的に利用します。例えば、先に述べたスーパーレンズは、エバネッセント波の減衰を防ぐことで、回折限界を超える高解像度イメージングを可能にしようとするものです。

メタマテリアル

メタマテリアルは、自然界には見られない特異な電磁気的特性を持つように人工的に設計された物質の総称です。これらの物質は、光の波長よりもはるかに小さな（ナノメートルサイズの）構造を周期的に配置したアレイによって構成されます。構成要素のサイズがナノスケールであることが重要であり、これにより光は個々の構造で散乱されることなく、あたかも均一な連続媒質であるかのように振る舞い、その人工構造によって決定される独特な光学特性を示します。ナノフォトニクスにおいては、このメタマテリアルを用いて、負の屈折率を持つ物質や光の伝搬を自在に制御するデバイスなどが研究されています。

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