現実世界のアプリケーションを模索するメタマテリアル

ジェフ・ヘクト

半世紀前のレーザと同様に、メタマテリアルは課題を探しているソリューションのように思われることが多い。現在は従来の光学では対応できないニッチな応用に向けた第1ラウンドが始まっている。

合成メタマテリアルは光学分野の人々を興奮させてきたが、それは従来の材料では利用できない光学的性質が約束されているからだ。初期の驚くべき事例は、長期にわたり不可能と思われてきた負の屈折率材料の実証であった。目に見えない光学クロークには、一般紙も関心を示した。
　研究所ではいくつかの実験が華々しく行われたが、実用上の問題は解決されていない。単色光を顕微鏡の対物レンズで照射したときにだけ動作するとしたら、目に見えないクロークにはどのような用途があるのだろうか？メタマテリアルは初期のレーザと同様に、「課題を捜し求めるソリューション」と呼びたい誘惑にかられる。しかしながら、新しく始まった開発ラウンドは広帯域偏光フィルタ、ほぼ完全な光吸収体、テラヘルツ帯用の光学系など、従来の光学材料では実現できない重要な実用可能性が期待されている。

メタマテリアルの基礎

メタマテリアルは電磁波と集合的に相互作用するように設計されたサブ波長構造素子の組立部品からなる。構造のビルディングブロックは、光波を構成する電磁場と相互作用する小型の誘導性‐容量性回路として機能する。代表的な構造は、磁場との相互作用が従来の材料よりも強くなるように設計されている。この効果はこの構造と共鳴する周波数の場合に著しい。
　原理的に言うと、これらの相互作用は従来の材料からは得られない負の屈折率のようなさまざまな光学的性質を生成できる。さらに、構造の形状や構成を変えると、光を操作できる光学的性質の傾斜の創成が可能になる。このような構造は波面を変換できるため、この分野は「変換光学」と呼ばれる（1）。構造を動的に変えて性質を変化させることも可能になる。
　実験は素晴らしい成果をもたらしたが、そこには実用上の限界があることも明らかになっている。重要な構造素子の多くは金属から構成されているため、いずれも光減衰が非常に大きい。最も重要な成果は長波長、とくにマイクロ波領域から得られているが、それはこれらの帯域におけるサブ波長構造の製作が可視領域よりも容易なことによる。確かに、その製作は非常に複雑になるため、代表的な実験はメタマテリアルの単位格子の単層だけを使用して行われ、真の三次元構造を実証した実験は少数に限られる。とは言いながら、これらの問題がメタマテリアルの開発を止めているわけではない。そこでは現実世界の応用を目指して、とくに面倒な問題のいくつかを克服する努力がなされている。

マイクロ波とテラヘルツ波の光学系

米ボーイング・ファントムワークス社（Boeing Phantom Works）のクラウジオ・パラッツォーリ氏（Claudio Parazzoli）によると、最初のメタマテリアルの実験はマイクロ波帯で行われ、そのデバイス開発は位相アレイアンテナなどを対象にしていた。一方で、より「光学的な」デバイスは従来の光学デバイスでは不可能なテラヘルツ帯を目指している。テラヘルツ帯は波長がとても長く、数十マイクロメートルの尺度がサブ波長構造になるため、従来の半導体技術を用いた製作が容易になる。
　一般に、天然材料はテラヘルツ帯の吸収が低いため、メタマテリアルのテラへルツ帯の高い吸収は魅力になる。例えば、8μｍの単層メタマテリアルは1.3THzにおいて0.7の吸収率を示し、その吸収係数はセンチメートル当たり2000になる（図1）（2）。偏光と入射角に依存しないテラヘルツ吸収体も製作されている。
　最近のレビュー論文は多数のテラヘルツ材料の実証を列挙し、そこには4分の1波長板、スイッチングと変調、動的構造素子による共鳴挙動の同調などの成果が含まれている。共振周波数のシフトの実証も報告された。この場合のメタマテリアルは20%の大きな周波数シフトを示し、メモリ効果も大きく、最初の配置に戻るには20分以上が必要であった。米ボストン大学（Boston University ）とボストン単科大学（Boston College）からなる研究チームは、「多くの場合、『メタマテリアル』にもとづくテラヘルツデバイスは、従来の材料にもとづくデバイスの性能を上回る。とは言いながら、多くの場合、このようなテラヘルツ用の競合材料は存在しない」と記述している（3）。

赤外メタマテリアル

赤外波長用のメタマテリアルレンズも魅力がある。従来の赤外波長用レンズは大型で、そのコーティングは難しい。米ニューメキシコ大学（University of New Mexico）高度先端技術材料センターの所長を務めるスティーヴ・ブリューク氏（Steve Brueck）は、「極めて少数の層からなる負の屈折率材料の非常に薄いレンズは、レーザレーダ用として多方面への応用が期待できる」と語っている。もう1つの赤外線における重要な応用可能性は、高速スイッチングと変調にある。応答時間はデバイスの大きさに依存するため、そのサイズは周期分極ニオブ酸リチウムの場合のセンチメートルから、ファイバ媒質の場合の数キロメートルまでの範囲に及ぶ。半導体光増幅器は能動デバイスのため、短い長さを実現できるが、雑音が付加され、構造も複雑になる。プラズモニックスイッチの応答はピコ秒になるが、マイクロメートルスケールのデバイスの変調深さは10%に制約される。

（もっと読む場合は出典元へ）
出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2011/07/1107frontier.pdf