平面光学の予期せぬブレークスルー―シリカメタ表面の可能性を発見(An unexpected breakthrough in flat optics)

2026-01-08 ハーバード大学

ハーバード大学応用科学・工学スクール(SEAS)の研究チームは、フラットオプティクス(平面光学)分野で予想外のブレークスルーを達成した。従来、メタサーフェスと呼ばれる超薄型光学素子は、設計波長や入射条件が限られ、効率や汎用性に課題があった。本研究では、ナノ構造の配置と相互作用を精密に制御する新手法により、これらの制約を打破し、薄膜にもかかわらず高い集光・位相制御性能を実現した。結果として、レンズや回折光学系を大幅に小型化しながら、性能低下を抑えることに成功した。この成果は、スマートフォン用カメラ、AR/VR、センサー、量子光学など幅広い応用に直結し、従来の厚く重い光学部品に代わる次世代光学技術の実用化を大きく前進させる。

平面光学の予期せぬブレークスルー―シリカメタ表面の可能性を発見(An unexpected breakthrough in flat optics)
A figure that outlines the advantages of low refractive index metasurfaces.

<関連情報>

シリカメタオプティクス:高性能なのに高屈折率は必要ない Silica Meta-Optics: When High Performance Does Not Need a High Index

Luca Sacchi,Alfonso Palmieri,Vitthal Mishra,Joon-Suh Park,Marco Piccardo,and Federico Capasso
Nano Letters  Published: December 8, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c04960

Abstract

Metasurfaces, planar arrays of subwavelength nanostructures, are typically realized with high-index dielectrics, while low-index platforms are often dismissed due to weaker index contrast. We identify and experimentally verify regimes where a low-index platform (SiO2) surpasses its high-index counterpart (TiO2). A low index suppresses higher-order Bloch modes, enabling the design of efficient devices with relaxed feature sizes. Low-index metasurfaces also offer two intrinsic advantages: a broad, well-behaved chromatic response without explicit dispersion engineering and a strong tolerance to fabrication errors. We validate these features experimentally with silica metagratings, metalenses, and structured-light phase plates at λ = 632 nm. The metagratings reach ≥50% absolute diffraction efficiency over a 200 nm bandwidth, the metalenses deliver 75% absolute diffraction efficiency with diffraction-limited performance, and the vortex phase plates achieve 80% conversion efficiency at the design wavelength and 60% with 100 nm wavelength detuning. These results delineate when low-index metasurfaces outperform high-index designs, suggesting a route to scalable and broadband fabrication of error-resilient flat optics.

0403電子応用
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