物質界面での反射を消す新奇光学素子

理化学研究所のプレスリリース（4/6）。物質境界面の光の反射を止める「新奇光学素子」を開発

　独立行政法人理化学研究所（野依良治理事長）は、物質の境界面で生じる光の反射を除去する新しい光学素子を開発しました。この素子は、「メタマテリアル」と呼ばれる金属のナノ構造体を用い、物質の透磁率を人工的に制御して実現しました。理研中央研究所河田ナノフォトニクス研究室の河田聡主任研究員と田中拓男先任研究員の研究成果です。

　物質は、それぞれ固有の屈折率を持ち、二つの物質が接すると、その境界は屈折率の境界ともなります。屈折率の境界は光にとっての障壁であり、この境界に光が入射すると光の一部は障壁に反射されてしまいます。今回の成果では、この障壁を完全に取り除き、物質の境界を越えて光を伝播させる全く新しい光学素子を提案しました。具体的には、メタマテリアルと呼ばれるナノサイズの金属構造体を用いて、光の反射を除去する「ブリュースター」という現象を、あらゆる状態の光に対して実現する手法の提案とその原理を用いた光学素子を提示しました。メタマテリアルでできたプリズム素子とその原理は、これまでの光学分野における常識を覆す、全く新しい原理に基づく光技術の提案であり、金属のナノ構造体が、これまでの光学の概念を越えた「新奇な光学素子」へ応用できることを示したもので、ナノテク材料の一つとして金属（メタル）が有効であることを期待させるものです。

内容はともかく、実現しようとしていることはよく理解できる。異なる屈折率を持つ物質の間で必ず起こると思われていた反射という現象を消してしまおうということらしい。それにしても、「新規」ではなく「新奇」という字を使ったところに、その意気込みというか意外性が表れているのだろうか？

従来の理研のリリースは極めて難解で「専門家以外お断り」という印象の強いものだったが、最近は随分と改善されているように思う。このリリースでも、今回の研究を理解するための基礎知識である「ブリュースター」についての図解をしたりと工夫されているのだが、残念ながらそれでも内容が難解でなかなか門外漢がスッキリと理解できるものではないようだ。

それでもわかったことをまとめてみると、

(1)異なる屈折率を持つ物質間には、ブリュースターとして知られる現象があり、特定角度で入射したｐ偏光が実質的に全く反射せず、ロスなく全て物質内部に入る。（参考：啓林館、Wikipedia）　しかしブリュースター現象はｐ偏光に対してしか起こらないので、ｓ偏光が反射することは防げない。

(2)通常は物質の透磁率は1.0で固定と考えられているが、もしも物質の透磁率を変えることができれば、ｓ偏光に対してもブリュースター現象を起こすことが可能となり、ｓ偏光を反射せずに入射させることができるはずである。（ここがわからない。透磁率は物質によって異なるはずだと思うのだが。。）

(3)自然界の物質は透磁率は1.0だが（？）、金属のナノコイルを特定の配列で並べた物質（メタマテリアル）を作ると、方向により異なる透磁率を示す異方性の物質を作ることができる。

(4)メタマテリアルの形状と性状を巧みに設計し、設計どおりに作ることができれば、例えば空気からガラスに光を入射する場合、空気とメタマテリアルの界面およびメタマテリアルとガラスの界面の両方で、ｐ偏光とｓ偏光のそれぞれ全てがブリュースターの条件を満たすことが可能となり、結果として空気からガラス内に反射ロスなく光を伝送できることになる。

ということらしいのだが、合っているのか？？　 ところでこの研究、タイトルには「新奇光学素子を開発」とあるものの、実際にメタマテリアルを作成して反射をゼロにしたのではなく、このようなことが理論上可能であることを計算によって示したということのように読める。こういうのを「開発」って言うのかな？　それにしても、面白いことを考えたものだ。