ナノフォトニクス

ナノフォトニクスまたはナノ光学は、ナノメートルスケールの光の挙動、およびナノメートルスケールの物体と光の相互作用を研究する分野です。これは、光学、光学工学、電気工学、およびナノテクノロジーの分野です。ナノアンテナなどの誘電体構造や、表面プラズモンポラリトンを介して光を輸送および集束できる金属部品が含まれることがよくあります。^[1]

「ナノ光学」という用語は、「光学」という用語と同様に、通常は紫外線、可視光線、近赤外線（自由空間波長 300 ～ 1200 ナノメートル）が関係する状況を指します。

レンズや顕微鏡などの通常の光学部品は、回折限界（レイリー基準）のため、通常、光をナノメートル（深いサブ波長）スケールに焦点を合わせることはできません。それでも、表面プラズモン、ナノスケールの金属物体の周りの局在表面プラズモン、近接場走査型光学顕微鏡（SNOMまたはNSOM）^{[2] [3] [4]}や光支援走査トンネル顕微鏡で使用されるナノスケールの開口部とナノスケールの鋭い先端などの他の技術を使用して、光をナノメートルスケールに圧縮することは可能です。^[5]

ナノフォトニクスの研究者は、生化学から電気工学、無炭素エネルギーまで、非常に幅広い分野で目標を追求しています。これらの目標のいくつかを以下にまとめます。

光を小さな体積に圧縮することができれば、小さな検出器で吸収して検出することができます。小型の光検出器は、低ノイズ、高速、低電圧、低電力など、さまざまな望ましい特性を備えています。^{[6] [7] [8]}

小型レーザーは、低い閾値電流（電力効率の向上に役立つ）や高速変調^[9]（より多くのデータ伝送を意味する）など、光通信に望ましいさまざまな特性を備えています。非常に小さなレーザーには、波長以下の光共振器が必要です。一例として、レーザーの表面プラズモンバージョンであるスペーサーが挙げられます。

集積回路はフォトリソグラフィー、つまり光への露光によって作られる。非常に小さなトランジスタを作るためには、光を極めて鮮明な画像に集光する必要がある。液浸リソグラフィーや位相シフトフォトマスクなどのさまざまな技術を使用することで、波長よりもはるかに細かい画像を作ることが可能になった。例えば、193 nmの光を使って30 nmの線を描くことができる。^[10]この用途にはプラズモニック技術も提案されている。^[11]

熱アシスト磁気記録は、磁気ディスク ドライブに保存できるデータ量を増やすためのナノフォトニクス アプローチです。データを書き込む前に、レーザーを使用して磁性体の波長以下の小さな領域を加熱する必要があります。磁気書き込みヘッドには、光を適切な場所に集中させるための金属光学部品が取り付けられます。

光エレクトロニクスの小型化、例えば集積回路内のトランジスタの小型化により、集積回路の速度とコストは向上した。しかし、光電子回路を小型化するには、電子部品とともに光学部品も小型化する必要がある。これは、オンチップ光通信（つまり、配線の電圧を変えるのではなく、光導波路を通して光を送ることで、マイクロチップのある部分から別の部分に情報を渡すこと）に関係する。^{[7] [12]}

太陽電池は、表面近くの電子が収集される可能性が高く、デバイスを薄くできるためコストが削減されるため、光が表面の非常に近くで吸収されるときに最もよく機能します。研究者は、太陽電池内の最適な場所で光を増強するためのさまざまなナノフォトニクス技術を研究してきました。^[13]

ナノフォトニクスは、ナノポーラス光アンテナからアドリアマイシンなどの抗がん剤を制御されたオンデマンドで放出し、トリプルネガティブ乳がんを標的とし、エキソサイトーシス抗がん剤耐性機構を緩和し、正常な全身組織や細胞への毒性を回避することにも関与していると考えられています。^[14]

ナノフォトニクスを使用して高いピーク強度を作成する：一定量の光エネルギーがますます小さな体積（「ホットスポット」）に圧縮されると、ホットスポットの強度はますます大きくなります。これは特に非線形光学で役立ちます。例としては、表面増強ラマン散乱があります。また、数百万または数十億の分子の平均を取る従来の分光法とは異なり、ホットスポットにある単一の分子でさえも高感度の分光測定が可能になります。^{[15] [16]}

ナノフォトニクスの目標の1つは、いわゆる「スーパーレンズ」を構築することです。これは、メタマテリアル（下記参照）やその他の技術を使用して、回折限界（深サブ波長）よりも正確な画像を作成します。1995年に、ゲラは、空気中で650nmの波長の照明を使用して、50nmの線とスペースを持つシリコン格子を画像化することでこれを実証しました。 ^[17] これは、50nmの線とスペースを持つ透明な位相格子（メタマテリアル）を浸漬顕微鏡対物レンズ（スーパーレンズ）に結合することによって達成されました。

近接場走査型光学顕微鏡（NSOMまたはSNOM）は、波長よりもはるかに小さい解像度で画像を撮影するという同じ目的を達成する、まったく異なるナノフォトニック技術です。これは、画像化する表面上で非常に鋭い先端または非常に小さな開口部をラスタースキャンするものです。^[2]

近接場顕微鏡法は、より一般的には、近接場（下記参照）を使用してナノスケールの波長以下の解像度を実現する技術を指します。1987年、ゲラ（ポラロイド社在籍時）は、非走査型全視野光子トンネル顕微鏡でこれを達成しました。^[18] 別の例として、二重偏光干渉法は、導波路表面上の垂直面でピコメートルの解像度を持っています。^[要出典]

波長サブ近接場光学構造の形態をとるナノフォトニクスは、記録媒体とは別個に、あるいは記録媒体に統合されて、回折限界をはるかに超える光記録密度を達成するために使用されました。^[19]この研究は1980年代にポラロイド光学エンジニアリング（マサチューセッツ州ケンブリッジ）で始まり、NIST先端技術プログラムの支援を受けてカリメトリクス（マサチューセッツ州ベッドフォード）でライセンスを受けて継続されました。

2002年、Guerra（Nanoptek Corporation）は、半導体のナノ光学構造が誘起歪みによりバンドギャップシフトを示すことを実証しました。二酸化チタンの場合、半値幅が200nm未満の構造は、太陽スペクトルの通常の紫外線部分だけでなく、高エネルギーの可視青色も吸収します。2008年、ThulinとGuerraは、バンドギャップシフトだけでなく、バ​​ンドエッジシフト、および電荷再結合を低減するための高いホール移動度を示すモデリングを発表しました。^[20] バンドギャップを設計した二酸化チタンは、太陽光と水から水素燃料を効率的に光分解および光電気化学生成するための光陽極として使用されます。

シリコンフォトニクスは、シリコン基板上に実現され、光と電子の両方を制御できる光電子デバイスのナノスケール構造を扱う、ナノフォトニクスのシリコンベースのサブフィールドです。これにより、電子機能と光機能を1つのデバイスに統合できます。このようなデバイスは、学術分野以外でも、中赤外線分光法や倍音分光法、ロジックゲート、チップ上の暗号化など、さまざまな用途に使用されています。 [ ^{21 ]}

2016年現在、シリコンフォトニクスの研究は、光変調器、光導波路およびインターコネクタ、光増幅器、光検出器、メモリ素子、フォトニック結晶などに及んでいます。特に興味深い分野は、太陽光から効率的に電気エネルギーを生成できるシリコンナノ構造です（例：太陽電池パネル用）。^[22]

金属は、光を波長よりはるかに低い波長に閉じ込める効果的な方法です。これはもともと無線およびマイクロ波工学で使用されており、金属アンテナと導波管は自由空間波長の数百分の1の大きさになることがあります。同様の理由で、可視光は、ナノサイズの構造、先端、ギャップなどのナノサイズの金属構造を介してナノスケールに閉じ込めることができます。多くのナノ光学設計は、一般的なマイクロ波または電波回路に似ていますが、100,000 分の 1 以上に縮小されています。結局のところ、電波、マイクロ波、可視光はすべて電磁放射であり、周波数のみが異なるのです。したがって、他の条件が同じであれば、100,000 分の 1 に縮小されたマイクロ波回路は、同じように動作しますが、周波数は 100,000 倍高くなります。 ^{[23] [24]}この効果は、フィールドが先端に集中する避雷針に似ています。光と金属の相互作用を利用する技術分野はプラズモニクスと呼ばれています。これは基本的に、金属の誘電率が非常に大きく、負であるという事実に基づいています。非常に高い周波数 (プラズマ周波数​​に近いかそれを超える周波数、通常は紫外線) では、金属の誘電率はそれほど大きくないため、金属は場を集中させるのに役立ちません。

例えば、研究者たちは、無線アンテナに使用されているものと本質的に同じ設計に従って、ナノ光ダイポールや八木宇田アンテナを作成した。 ^{[26] [27]}

金属平行板導波路（ストリップライン）、インダクタンスやキャパシタンス（可視光周波数で、後者の値はそれぞれフェムトヘンリーとアトファラドのオーダー）、および伝送線路へのダイポールアンテナのインピーダンス整合などの集中定数回路要素は、すべてマイクロ波周波数ではよく知られた技術であり、ナノフォトニクス開発の現在の分野の一部です。とはいえ、ナノ光学と縮小されたマイクロ波回路の間には非常に重要な違いがいくつかあります。たとえば、光周波数では、金属は理想的な導体のようには動作せず、運動インダクタンスや表面プラズモン共鳴などの興味深いプラズモン関連効果も示します。同様に、光場はマイクロ波とは根本的に異なる方法で 半導体と相互作用します。

空間場分布のフーリエ変換は、異なる空間周波数で構成されます。空間周波数が高いほど、非常に細かい特徴と鋭いエッジに対応します。

ナノフォトニクスでは、強く局在した放射源（蛍光分子などの双極子放射体）がよく研究されている。これらの放射源は、角度空間周波数に対応する異なる波数を持つ平面波の広大なスペクトルに分解できる。光の自由空間波数と比較して高い波数を持つ周波数成分は、エバネッセント場を形成する。エバネッセント成分は放射体の近傍場にのみ存在し、遠方場に正味のエネルギーを伝達することなく減衰する。したがって、放射体からのサブ波長情報はぼやけ、これが光学系の回折限界となる。 ^[28]

ナノフォトニクスは主に近接場エバネッセント波を対象としています。たとえば、スーパーレンズ(上記) はエバネッセント波の減衰を防ぎ、より高解像度の画像化を可能にします。

メタマテリアルは、自然界には存在しない特性を持つように設計された人工材料です。波長よりもはるかに小さい構造の配列を作製することで作成されます。構造のサイズが小さい (ナノ) ことが重要です。これにより、光は個々の構造で散乱するのではなく、均一で連続した媒体を構成しているかのように相互作用します。

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• ナノフォトニクス、ナノ光学、ナノ分光法AJ Meixner (編)オープンアクセスBeilstein Journal of Nanotechnologyのテーマ別シリーズ