科学者がフォトニック結晶を使用して「偽の重力」を生成

科学者たちは、変形可能なフォトニック結晶を使用して、あたかも重力の影響を受けているかのように光を操作し、光学と 6G 通信の進歩を切り開いてきました。

疑似重力による光の挙動の操作

研究者の共同グループは、あたかも重力の影響下にあるかのように光の挙動を操作しました。 結果は雑誌に掲載されました 身体検査 2023 年 9 月 28 日に開催されるこのイベントは、光学および材料科学の世界に広範な影響を及ぼし、6G 通信の開発において重要な意味を持つことになるでしょう。

変形可能なフォトニック結晶とフォトニック結晶の概念図。 クレジット: K. 北村 他

アインシュタインの理論と偽の重力

アルバート・アインシュタインの相対性理論は、光やテラヘルツ電磁波を含む電磁波の経路が重力場によって偏向される可能性があることを長い間証明してきました。 科学者たちは最近、低エネルギー (または周波数) 領域で結晶を変形させることによって、重力の影響、つまり擬似重力の再現が可能であると理論的に予測しました。

東北大学大学院工学研究科の北村京子教授は、「私たちはフォトニック結晶の格子歪みが擬似重力効果を生み出すことができるかどうかを探ることに着手しました」と述べた。

DPC でのビーム経路の実験セットアップとシミュレーション結果。 クレジット: © K. 北村ら。

フォトニック結晶の役割

フォトニック結晶には、科学者が光の挙動を操作および制御できる独自の特性があり、結晶内の光の「トラフィック コントローラー」として機能します。 これらは、規則的な繰り返しパターンで光と相互作用し、光を減速させるさまざまな能力を持つ 2 つ以上の異なる素材を周期的に配置することによって構築されます。 さらに、断熱変化に起因する擬似重力効果がフォトニック結晶で観察されています。

北村氏らは、格子歪みを導入することでフォトニック結晶を修正した。格子歪みとは、要素間の規則的な空間が徐々に歪み、陽子結晶の格子状パターンが破壊されることである。 これにより結晶の光バンド構造が操作され、その結果、中央に曲がった光路が生じました。ちょうど、天体などの巨大な天体を通過する光線と同じです。 ブラックホール。

ポート B と C の間の透過率の違いによる実験結果は、DPC におけるビームの曲がりを明確に示しています。 クレジット: K. 北村 他

実験の詳細とその影響

具体的には、科学者らは実験で基本格子定数200マイクロメートルの変形可能なシリコンフォトニック結晶とテラヘルツ波を使用した。 実験では、これらの波の偏向を実証することに成功しました。

「重力が物体の進路を曲げるのと同じように、私たちは特定の物質の内部で光を曲げる方法を発見しました」と北村氏は付け加えた。 「テラヘルツ範囲内の面内ビームステアリングは、6G通信で活用できます。学術的には、この結果はフォトニック結晶が重力効果を利用できることを示しており、重力子物理学の分野に新たな道を切り開くものです」と大阪大学の藤田正之准教授は述べた。

参考文献：「変形可能なフォトニック結晶における擬似重力による電磁波の回折」、南條完二、川本有紀、北川仁、ダニエル・ヘドランド、藤田正之、北村京子著、2023年9月28日、 身体検査。
土井: 10.1103/PhysRevA.108.033522