NTT、"光学迷彩"を可能にする「光の負の屈折」実現へ

NTTと英国ランカスター大学は、光学迷彩や超高解像度レンズなどの技術に繋がる「光の負の屈折現象」を引き起こせる理論を、構築した大規模シミュレーターで実証した。

光が異なる材質間を通過するとき、その境界面で光が折れ曲がる現象のことを「光の屈折現象」と呼ぶ。光の屈折自体はありふれた現象で、例えばグラスに入れたストローが折れ曲がっているように見えるのも光の屈折現象によるもの。

これに対し「光の負の屈折現象」は、通常自然界では起こらない現象で、通常の光の屈折現象「正の屈折現象」とは逆方向に光が屈折する現象のことをいう。

光の負の屈折現象は、物体を見えなくする光学迷彩や、回折限界を超えて光を集光するスーパーレンズなどの開発に繋がる可能性があり、長年研究されてきた。負の屈折現象を人工的に発生させるため、人工物質である「メタマテリアル」によって現象を起こす研究も行なわれているが、光に対する散逸が大きいことや、製造の難しさなどから実現に至っていない。

今回の研究は、メタマテリアルに頼らず、格子状に並び協調的に応答する原子系を使い、光の負の屈折現象が起こることを理論的に見いだしたもの。原子をレーザーで精密に「格子」状に配置したもので、光と物質の間の相互作用の高度な制御が可能。製造上の欠陥もなく、吸収損失もないとしている。

各原子は放射と吸収の両方を可能とする振動電気双極子として機能する。近接して配置された原子は、それらが放射する光を介して互いに強く相互作用するため、集団的な光学応答を引き起こすことが可能になる。原子の集団応答については、例えば原子単相の2次元シートが光を反射するミラーとして機能することが分かっている。この仕組みを利用して、格子と入射するレーザーを調整することで、光の負の屈折を実現している。

この現象を正確に予測するため、大規模シミュレータも構築。光によって誘起される全ての原子間相互作用を正確に取り込み、そこで起きる現象を微視的に記述することができる。これにより、原子媒質中の光ビームの伝搬を解析し、広範なビームや格子構成に対し、その媒質が負の屈折現象を示すことを発見した。

シミュレータ上では、原子格子の層は、5層からでも光の負の屈折を発生させることが可能で、これを25層に増やすと、さらに大きな負の屈折が確認できた。

負の屈折を示すシミュレーション結果

今回の成果は、光学迷彩技術などの軍事・セキュリティ分野での利用や、回折限界を超える超高解像度レンズ開発に向けた新たなアプローチを提供するもの。また、原子格子系は量子シミュレーションや量子インターフェイスのツールとしても優れていることから、量子情報処理技術の開発にも影響を及ぼす可能性があるという。