光を閉じ込めろ！光をナノディスクに集める方法が開発された

・科学者たちが、2次元窒化ホウ素結晶を使って、光を閉じ込め、ポラリトンを作り出すナノディスクを作りました。

・このナノディスクは、他のどんな素材よりも何千倍も小さな体積で光を集めることができます。

・この技術は、危険な化合物を含む、ポラリトンの近くにある小さな物質を検出するために使用できるようになる予定です。

ここ数年、2次元材料におけるナノフォトニクスは、その新しい性質と応用から、強い関心を集めています。2次元材料（特にグラフェン）におけるポラリトンは、光と物質の高い相互作用を実現するシステムであると注目されており、センシングや光変調からコンフィギュラブルアンテナまで、幅広い応用が期待されています。

ポラリトンは、磁気または電気双極子によって励起された電磁波と高い電磁波結合によって生成される準粒子であることを知っていますか。

このほど、ハーバード大学ジョン・A・ポールソン工学・応用科学大学院の科学者チームが、赤外光を最も狭い空間に押し込む新しい方法を考え出しました。これにより、個々の生体分子を検出できる原子スケールの極端なアンテナが実現しました。彼らは、物質と光の間のコントラストをぼかす役割を果たす粒子であるポラリトンの力を利用しました。

どのように作られたのか?

科学者たちは、2次元窒化ホウ素結晶を用いて、幅200 nm、高さ50 nmに近いナノディスクを作製しました。この2次元結晶はマイクロレゾネーターとして機能し、光子（赤外光）を捕捉してポラリトンを発生させます。

赤外線を当てると、ナノディスクはガラスなどの他の材料に比べて数千倍も小さな体積で光を集中させました。科学者は、この濃度でのポラリトンの動きに注目しました。この動きの変化は、入射光の波長と直接関係しています。

ナノ円盤の中で振動するポラリトン |画像元: Harvard SEAS

コップを前後に傾けると、コップの中の水は一方向に振動し、コップを回転させると、水は別の方向に動きます。これはポラリトンで起こることであり、ディスクは入射光子にとって、コップと水の関係と同じです。

窒化ホウ素の2次元結晶をさらに絞り込んで、ナノディスクをさらに小さくすることができる。その大きさは自由に変えることができます。さらに、この結晶は光の損失が小さいため、ディスクの中に閉じ込められた光は、かなり長い時間振動し続け、その後落ち着来ます。そのため、入射光はより強くなります。

具体的には、散乱型走査近接場光学顕微鏡、光誘起力顕微鏡、フーリエ変換赤外分光法を用いて、六方晶窒化ホウ素平面ナノ構造における光と物質の相互作用を検討しました。そして、その結果と数値シミュレーションは一致しました。

マイクロレゾネーターとして機能するナノディスク | 画像元: Harvard SEAS

さらに光を集中させるために、科学者たちは同じような振動をする2枚のナノディスクを近づけ（50nm間隔）、赤外線アンテナを作りました。光の強度は、より小さな体積に集中するにつれて上昇し、隣接する粒子に大きな力を及ぼすのに十分な強度の光場が発生します。

応用例

赤外線アンテナは、近くにある小さな物質のポラリトンを識別するために使用することができます。これには、ホルムアルデヒドのようないくつかの危険な化合物が含まれます。また、ポラリトンのサイズや構造を構成することも可能で、高度な赤外線バイオセンサーや検出器への道を開くことができます。

今後は、これらの入射光子を最適化して高い強度を得ることで、個々の分子と測定可能な値まで効果的に相互作用させることができるようにします。