フォトンアップコンバージョン: 超臨界結合によるステアリングライト

2024 年 2 月 22 日

(Nanowerkニュース) シンガポール国立大学 (NUS) の研究者らは、光子のアップコンバージョン効率を数倍高めることを可能にする「超臨界カップリング」と呼ばれる新しい概念を発表しました。この発見は、既存のパラダイムに挑戦するだけでなく、発光の制御に新たな方向性を切り開きます。低エネルギーの光子を高エネルギーの光子に変換するプロセスであるフォトンアップコンバージョンは、超解像度イメージングから高度なフォトニックデバイスに至るまで、幅広い用途に使用される重要な技術です。かなりの進歩にもかかわらず、効率的な光子アップコンバージョンの探求は、ランタニドドープナノ粒子の放射照度および光共鳴の臨界結合条件における固有の制限により課題に直面している。図は、「超臨界結合」の原理と超臨界エッジ BIC 結合による指向性アップコンバージョン放出を示しています。これは、単位セル形状を備えたフォトニック結晶ナノスラブのレイアウトを示し、エッジで調整された超臨界結合によって達成されるコリメートされたアップコンバージョンを実証します。 (© Nature) 「超臨界カップリング」の概念は、これらの課題に対処する上で極めて重要な役割を果たします。この根本的に新しいアプローチは、NUS 化学科の LIU Xiaogang 教授と彼の共同研究者であるイタリア国立研究評議会の Gianluigi ZITO 博士が率いる研究チームによって提案されたもので、「連続体における結合状態」（BICs）の物理学を活用しています。）。 BIC は、理論的に無限の寿命を持つ開放構造内に光を閉じ込めることを可能にし、臨界結合の限界を超える現象です。これらの現象は通常の光の振る舞いとは異なります。電磁誘導による透明性の古典的な類似物と同様に、これらの構造内の暗モードと明モード間の相互作用を操作することにより、研究者らは局所的な光学場を強化するだけでなく、発光の方向を正確に制御することもできた。彼らの発見は雑誌に掲載されました自然 (「連続体における超臨界境界状態による指示的巨大アップコンバージョン」）。超臨界カップリングの実験的検証は大きな進歩を示し、アップコンバージョン発光が 8 桁増加することが実証されました。実験装置には、アップコンバージョンナノ粒子で覆われたフォトニック結晶ナノスラブが含まれます。これらのナノ粒子は、マイクロスケールの光源およびレーザーとして機能します。無視できるほどの光分散と光スポットのマイクロスケール寸法を特徴とする BIC のユニークな特性を利用して、放射光の焦点合わせと方向制御の精度を実現しました。これにより、光の状態を制御するための新しい道が開かれます。 Liu教授は、「この画期的な発見は、基礎的な発見であるだけでなく、ナノフォトニクス分野におけるパラダイムシフトを表しており、ナノスケールでの光操作についての理解を変えるものである。」と述べた。超臨界結合の影響は光子のアップコンバージョンを超えて広がり、量子フォトニクスや結合共振器に基づくさまざまなシステムに潜在的な進歩をもたらします。」「研究コミュニティがこの研究の意味に取り組んでいる中、宇宙の最も基本的な要素の1つである光を比類のない精度と効率で制御できる未来への扉が開かれています」とリュー教授は付け加えた。