All-optical switching of nonlinear structured light in crystal-engineered van der Waals materials

光を、単に物をオンにしたりオフにしたりするビームとしてではなく、一人のダンサーとして想像してみてください。ほとんどの場合、光は直線的に踊り、単純なオン／オフのスイッチのように情報を運びます。しかし、「構造化された光（structured light）」と呼ばれる特別な種類のダンスがあります。そこでは、ビームが移動しながらコルク抜きのようにねじれます。このねじれは「軌道角運動量（OAM）」と呼ばれます。これは螺旋階段のようなものだと考えてください。ねじれの数が多いほど、光が持つ「段数」が多くなります。これは、技術の未来にとって超能力のようなものです。なぜなら、一本の光のビームにより多くのデータを詰め込むことができるからです。それはまるで、広い高速道路が狭い未舗装の道路よりも多くの車を運べるのと似ています。

長い間、科学者たちはこの「ねじれたダンス」を、光が生成される場所である微小なチップ上で、瞬時に制御したいと考えてきました。しかし、彼らが使っていた道具は、巨大で不器用な建設用クレーンのようでした。巨大で、動作が遅く、光源そのものとは切り離されていました。それらはねじれを変えることはできましたが、それには時間と空間を要しました。大きな疑問はこうでした。「単一の微細な材料の中で、これらの方位や形を瞬時に切り替え、かつこれらのねじれたビームを作り出すことができる、極めて小さく超高速な機械を構築できるだろうか？」

この論文は、研究チームがまさにそれをどのように構築したかという物語を伝えています。彼らは重機を使ったのではなく、「3R-MoS2」と呼ばれる材料（ファンデルワールス材料の一種）からなる「魔法の結晶」を設計しました。この材料を、極薄のシートが積み重なったものだと想像してください。そのシートは非常に薄く、46枚積み重ねても肉眼ではほとんど見えないほどです。科学者たちは、この超薄型のシートをパズルのように4つの小さな正方形に切り分けました。そして、それぞれの正方形を、0°、30°、60°、90°とわずかに回転させてから、再び貼り合わせました。

ここが巧妙な点です。これらの結晶内部の原子の配置方法により、各正方形の角度が光の「ハンドル（操舵輪）」として機能します。この「パズル結晶」にレーザーを照射すると、光はただ通り抜けるだけでなく、ねじれを拾い上げます。2つの基本周波数レーザーパルスの間の遅延を、光学サイクル以下の精度で調整することで、科学者たちは出力を切り替えることができました。ある瞬間、光は左へのねじれを持つビーム（トポロジカル電荷が-1のラゲール・ガウス渦）として現れ、次の瞬間には、右へのねじれ（電荷+1）へと反転したり、あるいはエルミート・ガウスビームと呼ばれる全く異なる形状（ねじれなし）へと変化したりします。

研究者たちは、46ナノメートルの厚さという、驚異的な薄さのサンプルを用いてこれを実証しました。結晶の破片を回転させ、レーザーのタイミングを微調整するだけで、嵩張る外部レンズや動きの遅い部品を使うことなく、これらの複雑でねじれたビームを生成できることを証明しました。この論文は、この「結晶設計」によるアプローチが、単一の固体の材料内で機能し、光の生成と成形を同時に行えることを示しています。彼らは慎重な測定とコンピュータ・シミュレーションを通じてこれを確認しましたが、その結果は、小型で高速、かつ再構成可能な光源を構築するための新しい方法を示唆しています。これは、電気の代わりに光を用いる将来のコンピュータや通信機器を実現するための大きな一歩となり、それらを今よりもさらに小さく、速く、そしてかつてないほど多くの情報を運べるものにする可能性があります。