SPASER

SPASER（スパーサー）

SPASERは「Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation」の頭文字をとったもので、誘導放出による表面プラズモンの増幅を意味します。これは、従来のレーザー技術の限界を打破することを目指して開発された、新しい概念に基づく光発生・増幅デバイスです。

概要

従来のレーザーは、その基本的な性質から、光の波長に応じた「回折限界（レイリー限界とも呼ばれます）」という物理的な制約を受けます。この回折限界により、レーザー光を1マイクロメートル（千分の1ミリメートル）よりも小さな領域に強く閉じ込めることや、デバイス自体をそれ以上に小型化することが非常に困難でした。現代の電子機器の心臓部である集積回路は、ナノメートル（百万分の1ミリメートル）スケールで微細化が進んでおり、光を用いて信号処理を行うフォトニクス技術をこれらナノスケールのデバイスに組み込む際、従来のレーザーの大きさは大きな障害、いわば「ボトルネック」となっていました。

SPASERは、この回折限界をはるかに下回る、光の波長よりも短い「サブ波長スケール」という極めて微小な領域に光のエネルギーを集中させ、閉じ込めることを可能にする技術として提案されました。これにより、ナノメートルサイズのデバイスへの光技術の応用が現実的になると期待されています。

原理

SPASERの動作原理は、従来のレーザーが光子（光の粒子）を誘導放出によって増幅するのに対し、金属表面を伝わる電子の振動である「表面プラズモンポラリトン」を誘導放出によって増幅する点に特徴があります。

SPASERを構成する基本的な要素は、微細な金属構造体（例えば金属ナノ粒子やナノワイヤー）と、その金属構造体のすぐ近くに配置された「利得媒質」と呼ばれる物質です。利得媒質としては、特定の波長の光を吸収して高いエネルギー状態（励起状態）になる性質を持つ、量子ドットや有機色素分子などが用いられます。

まず、外部からエネルギーを供給することで利得媒質を励起状態にします。このエネルギー供給は、例えば利得媒質が吸収しやすい短波長の光（ポンプ光）を照射することで行われます。

励起された利得媒質は、そのエネルギーを、隣接する金属ナノ構造体の表面に存在する自由電子の集団的な振動である表面プラズモンポラリトンに受け渡します。このとき、利得媒質からエネルギーを受け取った表面プラズモンポラリトンがさらに別の表面プラズモンポラリトンを「誘導放出」するかのように、特定の性質を持つ表面プラズモンポラリトンが増幅されます。これは、レーザーが光子を誘導放出・増幅するのと同様の原理ですが、増幅される対象が光子ではなく表面プラズモンポラリトンである点が異なります。

増幅された表面プラズモンポラリトンは、金属ナノ構造体の表面付近に強く局在し、ナノスケールの領域に光エネルギーが閉じ込められた状態を作り出します。この増幅された表面プラズモンポラリトンが、必要に応じて外部に光として取り出されたり、ナノ回路内で信号として利用されたりします。

応用例

SPASER技術の最大の応用可能性は、フォトニクスデバイスの大幅な小型化と高密度な集積化にあります。従来のレーザーでは難しかった、ナノメートルスケールでの光信号の生成、操作、検出が可能になることで、様々な分野でのブレークスルーが期待されます。

特に、電子の代わりに光を用いて情報処理を行う「光コンピュータ」の分野では、SPASERによって光信号の発生源や増幅器をナノスケールで集積できるようになるため、デバイスの小型化、高速化、低消費電力化に大きく貢献すると考えられています。その他にも、高密度光ストレージ、超解像イメージング、生体センサーなど、多岐にわたる応用が研究されています。

SPASERはまだ比較的新しい研究分野ですが、ナノフォトニクス、プラズモニクス、量子エレクトロニクスといった最先端技術を組み合わせることで、次世代の光エレクトロニクスデバイスの実現に向けた重要な鍵となる技術として注目されています。

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