東大など、「スキルミオントポロジー」を持つ特殊な光ビームの生成に成功

東京大学(東大)、東京科学大学(科学大)、慶應義塾大学(慶大)、科学技術振興機構(JST)の4者は11月18日、「スキルミオントポロジー」を持つ特殊な光ビームを、シリコンフォトニクス技術を用いて作製した小型光素子を用いて生成することに成功したと共同で発表した。

• マイクロリング共振器による光スキルミオン生成(出所:東大 RCAST Webサイト)

同成果は、東大 先端科学技術研究センター(RCAST)の林文博特任助教(現・科学大 総合研究院 助教)、同・岩本敏教授(東大 生産技術研究所 教授兼任)、慶大 理工学部 物理情報工学科の太田泰友准教授、東大 ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構の荒川泰彦特任教授らの共同研究チームによるもの。詳細は、光学とフォトニクスに関する全般を扱う学術誌「Optica」に掲載された。

情報媒体としての活用が期待される“スキルミオン”に着目

数学の一分野として始まったトポロジーは、空間の伸び縮みや曲げに対して不変な性質を議論する学問・概念であり、近年は物理学においても重要さが増している。そのような連続場のトポロジカルな性質を持った準粒子として、素粒子の分野において提唱されたのが“スキルミオン”だ。近年では、二次元的なトポロジカル構造を持つ光のスキルミオンも発見されていて、トポロジカルな性質を持った光は外乱に強いことから、容易には変化しない情報媒体として光通信や無線通信への応用が検討されている。

• 典型的な二次元スキルミオン(出所:東大 RCAST Webサイト)

これまで、スキルミオントポロジーを持つ光は、主に通常のレンズなどの光学素子(バルク光学素子)を組み合わせて生成されてきた。しかしこの手法では光学系自体が大きくなるため、使用できる場面が限られるほか、系の安定性確保の工夫も必要で、低コスト化が難しいことが課題だったという。それに対し、集積光回路技術を活用することで、バルク光学系よりもはるかに小型・安定動作可能な光スキルミオンビーム発生器が可能となることがわかってきたといい、またシリコンフォトニクスと同様に大量生産が可能であり、低コストで広く利用可能な光スキルミオンビーム発生器の開発が期待されている。