コーネル大学の研究チームは、光学の基本原則を破る方法を発見しました。この発見は、光が材料の異なる側面に入るときに異なる挙動を示すことを示しています。ほとんどの材料は、前方と後方からの光を一貫して処理しますが、コーネルのチームはこの規則に従わない材料を製造しました。このブレークスルーは、特別なエンジニアリング複合材料ではなく、硫化カドミウム、セレン化カドミウム、テルル化カドミウムなどの有名な半導体から作られた溶液処理可能な材料である単純な半導体ナノクラスターを通じて実現されました。博士課程の学生トーマス・ウグラスは、コーネル大学のダフィールド工学部のリチャード・D・ロビンソン教授の指導の下でこの研究を行いました。
この規則を破ることが難しい理由は、ほとんどの光学システムが「相互性」と呼ばれる原則に従っているからです。光がレンズや鏡を通過する際、その挙動はどの方向からでも同じです。この規則を破るためには、通常、高価な製造コストを要する複雑な超材料が必要であったり、外部の磁場が必要であったりしますが、これではコンパクトなデバイスには実用的ではありません。コーネルの研究者たちは、新しい特別な材料を構築することなく、すでにこの規則を破っている材料を見つけ、その理由を理解することで、より簡単な道を見つけました。
コーネル大学の研究が示す光学的挙動の新たな可能性
非対称性を生み出す鍵は、「マジックサイズクラスター」と呼ばれるナノ材料にあります。これらの材料は自己組織化して螺旋構造を形成し、同時に2つの光学効果を示します：線形二重異方性と手性二重異方性。線形二重異方性は、材料が異なる方向の線形偏光に対して異なる吸収を示すことを意味し、手性二重異方性は、左旋および右旋の円偏光に対する反応が異なることを意味します。どちらの効果も単独では方向性の非対称性を生み出すには不十分ですが、両者の強度が等しいとき、その相互作用が前後の対称性を破ることになります。これが以前に見落とされていた理由は、手性効果がほぼ常に線形効果よりもはるかに弱いため、研究者たちはその相互作用が測定できないほど小さいと仮定していたからです。
マジックサイズクラスターの特異性は、これら2つの効果の強度が等しいことです。ウグラスは、偏光光と物質の相互作用に関する数学を通じてこれを認識しました。ロビンソンは、実際の意味を説明するために明確な類推を用いました。「カーテンの横棒が日光を通過することを想像してください。しかし反対側からは、これらのカーテンが光を通すと、横棒が縦棒に変わったかのように見えます。」ほとんどの材料では、この効果は両側から同じですが、ここではそうではありません。研究チームは、前方から「Y」という文字を表示し、後方から「N」を表示する薄膜を示しました。この効果は、観察角度によって異なるホログラフィックイメージを生成する可能性があり、光学的暗号化や光子回路におけるコンパクトな方向性デバイスの実現にもつながります。
ロビンソンは、単純な材料を使用する重要性を説明しました。彼は次のように述べています。「驚くべき点は、新しい材料とその新しい特性を発見したことではなく、この新しい光学応答が研究者がすでに製造方法を知っている材料に現れる可能性があることです。これは、非相互的な光子システムの設計に対してより広範な可能性を開きます。」この結果は、非相互的な光学的挙動が以前に考えられていたよりもアクセスしやすい可能性があることを示しており、これらの材料は既存の技術を使用して製造でき、薄膜は溶液から作成され、クリーンルームでのナノ製造を必要としないため、実験室での発見と実際のデバイスとの間の主要な障害を取り除きます。
彼らの発見は7月27日に『Nature Materials』に初めて発表されました。