2D 光導波路: 科学者が光を導く既知の最小の方法を発明

2023 年 8 月 11 日

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シカゴ大学著

場所から場所へ光を導くことは、現代世界の根幹です。 光ファイバー ケーブルは、海洋の下や大陸を越えて、YouTube のビデオから銀行の送受信に至るまで、あらゆるものをエンコードする光を伝送しており、そのすべてが髪の毛ほどの大きさのケーブルの中にあります。

しかし、シカゴ大学のジウン・パーク教授は、さらに薄くて平らなストランドを作ったらどうなるだろうかと疑問に思いました。つまり、実際には 3D ではなく 2D になるほど細かったのです。 光はどうなるのでしょうか？

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シートが光を閉じ込め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、最大 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した。

Science誌に掲載されたこの研究は、本質的に2Dフォトニック回路とは何かを実証しており、新技術への道を開く可能性がある。

「私たちは、この極薄結晶がどれほど強力であるかにまったく驚きました。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送り届けることができます」と、研究主著者で教授兼議長のジウン・パーク氏は語った。化学者であり、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教員。 「閉じ込められた光も、2D 空間を移動しているかのように動作しました。」

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、非常に小さなプリズム、レンズ、スイッチを使用して、チップに沿った光の経路を誘導できることを発見した。これらはすべて、回路と計算の構成要素である。

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。 重要なのは、既存の導波路では、フォトンと呼ばれる光の粒子が常に導波路内に閉じ込められて移動することです。

このシステムでは、ガラス結晶は実際には光子そのものよりも薄いため、光子の一部は実際に移動中に結晶から突き出ると科学者らは説明した。

それは、空港内でスーツケースを送るためのチューブを構築することと、スーツケースをベルトコンベアの上に置くことの違いに似ています。 ベルトコンベアを使用すると、スーツケースが大気開放され、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で簡単に移動できるため、ガラス結晶を使用して複雑なデバイスを構築することがはるかに簡単になります。

フォトンは、その過程で状況に関する情報を経験することもできます。 屋外から入ってくるスーツケースをチェックして、外に雪が降っていないかどうかを確認することを考えてください。 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でセンサーを作成することを想像できます。

「たとえば、液体のサンプルがあり、特定の分子が存在するかどうかを検知したいとします」と Park 氏は説明しました。 「この導波路がサンプル中を通過するように設計することもできます。その分子の存在によって光の振る舞いが変わるでしょう。」

科学者らは、同じチップ領域にさらに多くの小型デバイスを統合するため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るはずです。

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、実際に実験室でそれを実現するには何年もかかると科学者らは述べた。