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フォトニックメタマテリアル（PM ）は、光学メタマテリアルとも呼ばれ、テラヘルツ（ THz）、赤外線（IR）、可視光線の波長範囲で光と相互作用する電磁メタマテリアルの一種です。[ 1 ]この材料は周期的なセル構造を採用しています。
サブ波長周期性[ 2 ]は、フォトニックメタマテリアルをフォトニックバンドギャップやフォトニック結晶構造と区別する特徴である。セルは原子よりも桁違いに大きいが、放射波長よりははるかに小さいスケールであり[ 3 ] [ 4 ] 、ナノメートルオーダーである[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]。
従来の材料では、電場や磁場、ひいては光に対する応答は原子によって決定されます。[ 6 ] [ 7 ]メタマテリアルでは、セルがセルよりも大きなスケールで均質な材料中の原子の役割を担い、有効媒質モデルが得られます。[ 3 ] [ 4 ] [ 8 ] [ 6 ] [ 9 ]
一部のフォトニックメタマテリアルは高周波において磁性を示し、強い磁気結合が生じる。これにより、光領域において負の屈折率が生じる可能性がある。
応用例としては、クローキングや変換光学などが挙げられる。[ 10 ]
フォトニック結晶は、散乱要素のサイズと周期が波長のオーダーで大きいという点でPMとは異なります。また、フォトニック結晶は均質ではないため、ε（誘電率）やu（透磁率）の値を定義することはできません。[ 11 ]
物質が光の磁気成分と相互作用するかどうかを研究する中で、ビクター・ヴェセラゴ（1967）は、マクスウェル方程式に従って負の符号を持つ屈折の可能性を構想した。負の符号を持つ屈折率は、誘電率 ε < 0（ゼロ未満）と透磁率 μ < 0（ゼロ未満）の結果である。 [ 5 ] [ 12 ]ヴェセラゴの分析は、1500を超える査読付き論文と多くの書籍で引用されている。[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]
1990年代半ば、メタマテリアルはナノメートルスケールのイメージングや物体のクローキングなどの用途向けの有望な技術として初めて注目されました。例えば、1995年にGuerra [ 17 ]は50nmの線と間隔を持つ透明なグレーティングを作製し 、この（後にフォトニックメタマテリアルと呼ばれることになる）ものを液浸対物レンズと結合して、空気中の 650nm波長照明の回折限界をはるかに超える50nmの線と間隔を持つシリコングレーティングを解像しました 。また、2002年にはGuerraら[ 18 ]が、回折限界をはるかに超える密度で光データストレージにサブ波長ナノ光学（フォトニックメタマテリアル）を使用したことを発表しています。2015年現在、メタマテリアルアンテナは市販されています。[ 19 ] [ 20 ]
光学領域における負の屈折率の最初の実証は、ウラジミール・M・シャラエフら[ 21 ]によって、一対の金属ナノロッド（会話ではシャラエフの箸と呼ばれることもある）を用いて行われた。
サブ波長セルの一部としてスプリットリング共振器（SRR）を使用することで負の透磁率が実現されました。SRRは狭い周波数範囲内で負の透磁率を実現しました。これを対称的に配置された電気伝導ポストと組み合わせることで、マイクロ波帯域で動作する最初の負の屈折率メタマテリアルが作成されました。実験とシミュレーションにより、左手系伝搬帯域、つまり左手系材料の存在が実証されました。SRRを使用した負の屈折率の実験的確認は、その後すぐにマイクロ波周波数でも行われました。[ 5 ] [ 22 ] [ 23 ]ストリップのペアを使用してスペクトルの可視領域全体にわたる磁気透磁率が2007年に示されました。[ 24 ]
貴金属などの天然素材は、可視光周波数までε < 0 を達成できます。しかし、テラヘルツ、赤外線、可視光周波数では、天然素材の磁気結合成分、つまり透磁率は非常に弱いです。言い換えれば、放射光の磁気成分に対する感受性は無視できると考えられます。[ 12 ]
負の屈折率メタマテリアルは、従来の光学材料に見られる光の従来の「右手系」相互作用とは逆の挙動を示します。そのため、これらは左手系材料または負の屈折率材料（NIM）などと呼ばれています。[ 5 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 12 ] [ 21 ]
この機能を示すのは、製造された NIM のみです。フォトニック結晶は、他の多くの既知のシステムと同様に、位相と群速度の反転などの異常な伝搬挙動を示すことがあります。ただし、これらのシステムでは負の屈折は発生しません。[ 22 ] [ 25 ] [ 26 ]
天然に存在する強磁性体や反強磁性体は磁気共鳴を起こすことができるが、大きな損失を伴う。天然磁石やフェライトなどの天然材料では、電気的（結合）応答と磁気的（結合）応答の共鳴周波数は一致しない。
フォトニックメタマテリアルSRRは、電子ビームとナノリソグラフィーを使用して100ナノメートル以下のスケールに達しています。1つのナノスケールSRRセルは、物理的に接続された3つの小さな金属ロッドで構成されています。これはU字型に構成され、ナノインダクタとして機能します。U字型の先端間のギャップはナノキャパシタとして機能します。したがって、これは光ナノLC共振器です。これらの「インクルージョン」は、外部から励起されると局所的な電場と磁場を生成します。これらのインクルージョンは通常、共振周波数における光の真空波長c0の10分の1です。インクルージョンは、有効媒質近似を使用して評価できます。[ 5 ] [ 13 ]
PMは光周波数において有用な大きさの磁気応答を示します。これには、磁性材料が存在しないにもかかわらず負の透磁率が含まれます。通常の光学材料と同様に、PMは有効媒質パラメータε(ω)とμ(ω)、または同様にεeffとμeffによって特徴付けられる有効媒質として扱うことができます。[ 13 ] [ 27 ]
光周波数領域におけるPMの負の屈折率は、2005年にShalaevら（通信波長λ = 1.5 μm）[ 21 ]と、ほぼ同時期にBrueckら（λ = 2 μm） [ 28 ]によって実験的に実証された。
シャラエフ研究グループは、レイセオンチームと共同で、近赤外線で動作する全誘電体サブ波長メタサーフェス集束レンズを実証した。[ 29 ]このレンズは現在、レイセオンの防衛システム製品に使用されている。
有効（透過）媒質近似は、外部励起に反応する際に「実質的に」均質な材料スラブを記述し、対応する「有効」パラメータには「有効」εとμが含まれ、スラブ全体に適用される。個々の介在物またはセルは、スラブとは異なる値を持つ可能性がある。[ 30 ] [ 31 ]ただし、有効媒質近似が成り立たない場合もあり[ 32 ] [ 33 ]、その適用可能性に注意する必要がある。
負の透磁率は、もともとマイクロ波周波数で左手系媒質においてスプリットリング共振器のアレイを用いて実現された。[ 34 ]ほとんどの天然材料では、磁気結合応答はギガヘルツ帯の周波数で徐々に減少し始め、これは光周波数では大きな磁気現象が発生しないことを意味する。このような材料の実効透磁率は1であり、μeff = 1である。したがって、放射された電磁場の磁気成分は、光周波数では天然材料にほとんど影響を与えない。[ 35 ]
メタマテリアルでは、セルはメタ原子、つまりピコメートルサイズの原子に類似したより大きな磁気双極子として機能します。金で構成されたメタ原子の場合、μ < 0 は通信周波数では達成できますが、可視周波数では達成できません。金属のプラズマ周波数が究極の制限条件であるため、可視周波数での達成は困難でした。[ 7 ]
光の波長はマイクロ波よりもはるかに短いため、サブ波長光メタマテリアルの実現はより困難である。マイクロ波メタマテリアルは回路基板材料から作製できるが、 PM（位相変調器）の作製にはリソグラフィー技術を用いる必要がある。
実験が成功した例では、短いワイヤーや形状の異なる金属片を周期的に配置した。別の研究では、スラブ全体を電気的に接続した。
製造技術には、電子ビームリソグラフィー、集束イオンビームによるナノ構造化、干渉リソグラフィーなどがあります。[ 13 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]
2014年に、広帯域（スーパーオクターブ）の赤外線波長でエネルギーを吸収する偏光非依存メタマテリアルプロトタイプが実証されました。この材料は、1.77～4.81 μmの中赤外線波長で±45°の広い視野にわたって98%を超える平均吸収率を示しました。用途の1つは、赤外線センサーから物体を隠すことです。パラジウムは、銀や金よりも広い帯域幅を提供しました。遺伝的アルゴリズムは、初期候補パターンをランダムに変更し、最良のもの以外すべてをテストして排除しました。このプロセスは、設計が有効になるまで複数世代にわたって繰り返されました。[ 39 ] [ 40 ]
メタマテリアルはシリコン基板上に4つの層で構成されています。最初の層はパラジウムで、ポリイミド（プラスチック）で覆われ、その上にパラジウムスクリーンがあります。スクリーンには、さまざまな波長を遮断するサブ波長の切り欠きがあります。ポリイミド層が吸収体全体を覆っています。スクリーンに対して最大55度の角度で赤外線放射の90パーセントを吸収できます。各層は正確な位置合わせを必要としません。ポリイミドのキャップはスクリーンを保護し、波が空気からデバイスに侵入する際に発生する可能性のあるインピーダンスの不整合を低減するのに役立ちます。[ 40 ]
2015年に可視光はマイクロ波と赤外線NIMに加わり、光を一方向にのみ伝搬するようになった。（「ミラー」は逆方向への光透過率を低下させるため、ミラーの後ろの光レベルを低くする必要がある。）[ 41 ]
この材料は、銀とガラスのシートを交互に重ねた多層ブロックと金属格子という2つの光学ナノ構造を組み合わせたものです。銀とガラスの構造は「双曲型」メタマテリアルであり、光の進行方向によって光の扱い方が異なります。各層の厚さは数十ナノメートルで、可視光の 波長である400～700 nmよりもはるかに薄いため、ブロックは可視光に対して不透明ですが、特定の角度で入射した光は材料内部を伝搬することができます。[ 41 ]
サブ波長間隔のクロム格子を追加することで、入射する赤色または緑色の光波が十分に曲げられ、ブロック内部に入り、内部を伝播することができた。ブロックの反対側には、別の格子のセットがあり、光が元の方向から角度をつけて出ていくようにした。出射格子の間隔は入射格子の間隔とは異なり、入射光を曲げることで、その側から外部の光がブロックに入り込むのを防いだ。順方向への光の通過量は逆方向への通過量の約30倍であった。間にブロックを設けることで、2つの格子を互いに正確に位置合わせする必要性が軽減された。[ 41 ]
このような構造は光通信への応用が期待されており、例えば、光波によって運ばれる信号を分割または結合するフォトニックコンピュータチップに統合できる可能性がある。その他の潜在的な応用例としては、ナノスケール粒子を使用して光を双曲面材料を通過して反対側に出せるほど急な角度に偏向させるバイオセンシングなどが挙げられる。[ 41 ]
プラズモンナノ粒子と非プラズモンナノ粒子の組み合わせを用いることで、赤外線および光周波数における集中定数回路素子ナノ回路が実現可能となる。従来の集中定数回路素子は従来の方法では利用できない。[ 42 ]
サブ波長集中定数回路素子は、マイクロ波および無線周波数（RF）領域で実用的であることが証明されています。集中定数素子の概念により、素子の簡素化と回路のモジュール化が可能になりました。サブ波長形状を実現するためのナノスケール製造技術が存在します。[ 42 ]
金、銀、アルミニウム、銅などの金属は、 RF およびマイクロ波周波数で電流を伝導します。光周波数では、一部の貴金属の特性が変化します。通常の電流の流れではなく、複素誘電率の実数部が負になるため、プラズモン共鳴が発生します。したがって、主な電流の流れは実際には電気変位電流密度∂D / ∂t であり、「流れる光電流」と呼ぶことができます。[ 42 ]
サブ波長スケールでは、セルのインピーダンスは形状、サイズ、材料、および光周波数照射に依存するようになります。粒子の配向と光電場との関連もインピーダンスの決定に役立つ可能性があります。従来のシリコン誘電体は、光周波数で実誘電率成分 ε real > 0 を持ち、ナノ粒子は容量性インピーダンス、つまりナノキャパシタとして機能します。逆に、材料が金や銀などの貴金属で、ε real < 0 の場合、誘導性特性を帯び、ナノインダクタになります。材料損失はナノ抵抗として表されます。[ 42 ] [ 43 ]
屈折率を調整するための最も一般的な手法は、電気光学チューニングである。この場合、屈折率の変化は印加された電場に比例するか、または電場の絶対値の二乗に比例する。これらはそれぞれポッケルス効果とカー効果と呼ばれる。
別の方法としては、非線形光学材料を使用し、光場の強度に応じて屈折率や磁気パラメータを変化させる方法がある。[ 44 ]
層を積み重ねると、光周波数で NIM が生成されます。しかし、SRR の表面構成 (非平面、バルク) により、通常は積み重ねができません。単層 SRR 構造は誘電体表面上に構築できますが、位置合わせの許容誤差要件のため、これらのバルク構造を積み重ねるのは比較的困難です。[ 5 ] 2007 年に、誘電体スペーサを使用して SRR 層を平坦化するための平坦化手順を適用する SRR の積み重ね技術が発表されました。[ 45 ]この方法では、任意の数の単位セルと個々の層のさまざまな空間配置を含め、任意の数の層を作成できるようです。[ 5 ] [ 45 ] [ 46 ]
2014年に研究者らは、近赤外線から中赤外線、テラヘルツ周波数まで調整可能な厚さ400ナノメートルの周波数倍増非線形ミラーを発表した。この材料は、従来のアプローチよりもはるかに低い強度の光で動作する。特定の入力光強度と構造の厚さに対して、メタマテリアルは約100万倍高い強度の出力を生成する。このミラーは、入力波と出力波の位相速度を一致させる必要がない。 [ 47 ]
これは、第二高調波、和周波および差周波発生、さまざまな四光波混合プロセスなど、複数の非線形光学プロセスに対して巨大な非線形応答を生み出すことができます。実証装置は、波長8000ナノメートルの光を4000ナノメートルに変換しました。[ 47 ]
このデバイスは、インジウム、ガリウム、ヒ素、またはアルミニウム、インジウム、ヒ素の薄い層を積み重ねて作られています。厚さがそれぞれ1～12ナノメートルのこれらの層が100個重ねられ、その上には非対称の交差した金ナノ構造のパターンが配置され、結合した量子井戸を形成し、下には金の層があります。[ 47 ]
潜在的な用途としては、小型レーザーシステムが必要とされるリモートセンシングや医療用途などが挙げられる。[ 47 ]
ディアコノフ表面波[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] [ 54 ] (DSW) は、フォトニック結晶に関連する複屈折、メタマテリアルの異方性に関連しています。 [ 55 ]近赤外および可視光におけるその他のフォトニックメタマテリアルについては、文献に記載されています。[ 12 ] [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]
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