岡山大など、単一ナノ構造で光の制御に成功　次世代光通信やセンサーへの応用に期待

岡山大学、北海道大学、総合イノベーション創発機構、および中国・北京大学の国際共同研究グループは、ジクロロオキソモリブデン（IV）（MoOCl₂）二次元材料を用い、単一ナノ構造の中で、光を強く「集める」働きと、特定の色の光を効率よく「ためる」働きを同時に実現した（ニュースリリース）。

光をナノメートルサイズの小さな空間に閉じ込め、増強・制御するナノフォトニクスは、高感度センサーや光通信など、さまざまな分野への応用が期待されている。これまで、光を強く「集める」技術は主に金や銀などの金属ナノ構造が発するプラズモン共鳴によって実現されてきた。一方、ガラスや半導体のような誘電体材料のナノ構造では、光を比較的損失少なく閉じ込める「ためる」働きが利用されてきた。しかし、これら二つの機能は性質が大きく異なるため、単一のナノ構造内で共存させ、独立に切り替えることは困難であった。従来は金属と非金属を組み合わせる複雑な構造が必要であり、機能が混ざり合って個別に制御しにくいという課題が存在した。

研究グループは、結晶の向きによって、ある方向では金属のように、別の方向ではガラスや半導体のように振る舞うMoOCl₂の強い方向依存性に着目した。このMoOCl₂を円盤状のナノディスク構造に加工し、反射膜として機能する金薄膜の上に配置した。この設計により、単一のナノ構造内で、金属のように光を強く「集める」共鳴と、誘電体のように特定の色の光を効率よく「ためる」共鳴を同時に実現した。

実験の結果、これら二つの共鳴は混ざり合うことがなく、光の振動方向である偏光方向を変えるだけで、独立に切り替えられることが実証された。ナノ構造の大きさや形を調整して二つの共鳴を同じ波長領域に重ねた場合でも、偏光による選択的な制御が可能である。

また、光電子顕微鏡を用いた測定により、光が強く集まる場所も異なることが判明した。光を「集める」共鳴ではナノ構造の上部に、光を「ためる」共鳴ではMoOCl₂と金薄膜の界面付近に光が集中するため、光の働きだけでなく働く場所も制御できる。

この研究は、材料自体の性質と反射膜効果を組み合わせ、偏光だけで機能を切り替える新しい設計原理を示したものである。この成果は、超小型光スイッチ、高感度光センサー、光情報処理デバイス、平面上で光を自在に制御する多機能メタサーフェスなどの開発につながり、二次元材料を用いたナノフォトニクスの新たな展開を切り拓くものと期待されている。