プラズモニクスとは

この数十年でエレクトロニクスとフォトニクスが大幅に進歩したことで、データ処理技術が飛躍的に改善され、私たちの生活は大幅に向上しました。

プラズモニクスとは、金属-誘電体界面での光信号のナノスケール（10億分の1メートル）で操作するテクノロジーです。プラズモニクスは、フォトニクスから発想を得たテクノロジーで、原子に近いスケールで光信号をルーティングできる金属ナノ構造に特有の特性を利用します。

従来のフォトニクスとエレクトロニクス、さらにはプラズモニクスを同じ半導体チップに組み込むことで、超高速コンピュータチップや光通信デバイスを実現でき、超高感度センサーおよび顕微鏡への電力供給が可能になるという大きな利点があります。

カリフォルニア工科大学のAtwater教授は、2007年にプラズモニクスの概念を初めて公開したとき、このテクノロジーが超高感度バイオセンシングから不可視化（クローキング）まで、さまざまな適用分野を生み出すだろうと予測していました。

プラズモニクスは、その適用分野に関わらず、金属-誘電体界面における電磁界と自由電子の相互作用を利用するテクノロジーであり、その誘電体は、電界の適用によって偏光できる絶縁体（ガラスや空気など）です。金属の電気的特性や光学的特性を決定付ける自由電子は、電磁界（光）が存在すると振動し、「表面プラズモン」と呼ばれる現象を生じさせます。 

表面プラズモン共鳴とは

自由電子は、ナノメートルスケールでは空間の微小領域に限定され、結果として振動する周波数範囲が制限されます。自由電子が光と相互作用を起こすと、その振動周波数に一致する光を吸収します（残りの光は反射する）。このとき、電子と光は共鳴することから、「表面プラズモン共鳴」（SPR）と呼ばれます。SPRは、ナノロッド、ナノワイヤ、ナノフォトニクス、およびその他のナノテクノロジーで活用できます。

プラズモニクステクノロジーの推進要因

最初のチップベース半導体が開発されて以来、より小型で高速なプロセッサの開発を目指すことで、データ駆動型社会へと変容してきました。しかし、デバイスの小型化が進むことで、熱の問題や処理速度によって制限が発生し、固有の問題が生じています。

広い帯域幅（データ伝送容量）を備える光インターコネクトは、有望なソリューションです。ただし、フォトニクスコンポーネントのサイズを光の波長の約半分に制限する上で、光の回折限界が重要となります。そのため、フォトニクスデバイスは、一般に電子デバイスよりも1～2桁大きくなります。

現在、エレクトロニクスのサイズ効率とフォトニクスのデータ効率を組み合わせるために、表面プラズモンに固有の特性を活用する取り組みが進められています。

プラズモニクスの課題

オーム損失によって、表面プラズモンの伝播は数ミリの移動後から減衰するため、グラフェン、金属酸化物、窒化物などのプラズモニックナノ粒子から構成されるプラズモニックナノ構造の研究が進められています。

また、熱による問題もあります。熱は、プラズモニック信号の伝播の長さと振幅に影響を及ぼします。

電気的特性と光学的特性を適切に組み合わせた金属ナノ構造やジオメトリが、こうした問題を解決することもあります。これは、銅、銀、アルミニウム、金などの材料の金属ナノ構造が、表面プラズモンポラリトン（SPP）の伝播を可能にするためです。

SPPは、金属-誘電体界面で伝播する電子の共振振動です。SPPは強い光と物質の相互作用を引き起こし、光電子アプリケーションで採用できるように弱い光学効果を高めることができます。

プラズモニック導波路

SPPは、特殊なタイプの光波です。そのため、誘電体-金属界面でのこれらの波の伝播をサポートする金属インターコネクトは、光導波路（プラズモニック導波路）として振る舞います。

SPPは、波の複素ベクトルで表現されます。このベクトルの虚数部はSPPの伝播長さに反比例し、実数部は閉じ込めに比例します。

回路設計に表面プラズモンを実際に組み込むには、伝播長さと閉じ込めの間の反比例関係でバランスを取る必要があります。プラズモニック導波路で最適な効果を得るためには、表面プラズモンの閉じ込めと伝播長さの両方を最大化するのが理想的です。

表面プラズモンポラリトンの伝播によって自然に生じる散逸損失は、ゲインを増幅するか、あるいはファイバーなどのフォトニック要素を導入することで無効にでき、結果としてハイブリッドプラズモニック導波路となります。

プラズモニック導波路は、光の回折限界よりも低いサブ波長モダリティを示します。光よりも短い波長においてSPPの伝播モダリティが可能であるという考えは非常に高い関心を集め、光周波数でナノスケールの情報処理が可能なチップスケールデバイスの可能性が広がりました。

プラズモニック導波路の一般的なタイプには、金属-絶縁体-金属（MIM）、絶縁体-金属-絶縁体（IMI）、チャネルプラズモンポラリトン（CPP）、ギャッププラズモンポラリトン（GPP）導波路があります。

メタマテリアルとは、その構成材料には見られない特性を示すように設計された複合材料です。メタマテリアルは、固有のサイズ、形状、ジオメトリ、および方向に基づいた特性を示す物質であり、これまでにない有用な方法で電磁波の屈曲、遮断、吸収、または強化を可能にします。メタマテリアルは、影響を与えようとする現象よりも小さい波長の反復パターンが配列された構造を持ちます。

プラズモニックメタマテリアルに固有の特性を与えるのは表面プラズモンです。特定の条件下で、入射光は金属-誘電体界面で表面プラズモンと結合して、表面プラズモンポラリトン（SPP）と呼ばれる自己持続的に伝播する電磁波を形成します。

SPPの特性は、基礎となる金属ナノ粒子の構造に基づきます。SPPは、入射光よりも短い波長で調整可能な機能を示します。プラズモニックメタマテリアルの例としては、周期的に配列された金ナノ粒子（ナノキューブ）や銀および金ナノシェルがあります。

プラズモニックメタマテリアルの特性は、サブ波長スケールでの金属ナノ粒子の配列に基づくため、エンジニアは分散、誘電率、透磁率、屈折率などの特性を操作して、さまざまな新しい用途を実現できます。

負屈折率プラズモニックメタマテリアル

ある媒体から別の媒体へ（たとえば、空気から水へ）光が移動するとき、光は法線を横切る際に曲がり、表面に垂直な平面になります。しかし、負屈折率物質では、この曲げは反対方向に発生します。つまり、光からの電磁エネルギーは、伝播波面とは反対方向に輸送されます。 

材料の屈折率は誘電率に関連しており、その誘電率は電磁伝播長さに影響するため、負屈折率メタマテリアルは、従来のレンズ、ミラー、光学素子の機能を超える、調整可能な光学特性を有します。

屈折率分布型プラズモニックメタマテリアル

プラズモニックメタマテリアルは、長さ方向または表面にわたって、異なる屈折率を示すように構成することもできます。これらのメタマテリアルは、たとえば電子ビームリソグラフィを使用して、PMMAなどの合成ポリマーを金のナノ表面に堆積させることで製造できます。

屈折率分布型プラズモニックメタマテリアルを使用して、従来の光からの光子ではなく、表面プラズモンポラリトンと相互作用を起こすLuneburgレンズやEatonレンズが製造されました。

また、自己組織化、薄膜多層堆積法、および集束イオンビーム加工によって製造できる、3次元の負屈折率メタマテリアルも提案されています。

負の輻射圧をもつメタマテリアル

従来の材料（正の屈折率を示す材料）に光を当てると、正の輻射圧が生じて、材料が光源から離れるように押し出されます。負の屈折率をもつ材料では逆の効果が見られ、材料が光源に向かって引き込まれます。

これを利用して、光源やレーザーの動作におけるエネルギー伝達効率や光吸収を向上させたり、薄膜太陽電池の光吸収を改善したりできます。

双曲線メタマテリアル

双曲線メタマテリアルは、光の移動方向に応じて、金属または誘電体のように振る舞います。その際、材料の分散関係が双曲線を示し、結果として、（理論的には）無限に小さい伝播波長になります。

双曲線メタサーフェスは、銀および金のナノ構造で実証されています。これらの構造は、センシングおよびイメージングのための強化された機能（負の屈折、回折フリーなど）を備えます。そのため、これらの構造は光集積回路内での量子情報処理に適用できることが期待されています。

さらに、窒化チタンやアルミニウムスカンジウム窒化物など、互換性のある結晶構造の組み合わせから双曲線の超格子が形成されます。金や銀とは異なり、これらの材料は既存のCMOSコンポーネントと互換性があり、高温でも熱的に安定しています。双曲線メタマテリアルは、金や銀よりも高いフォトニック密度を示すため、効率的な光吸収体でもあります。

双曲線メタマテリアルによって、高度なセンシング機能をもたらす平面レンズ、回折フリーイメージング、超高感度光学顕微鏡、ナノ共振器などが実現されます。

共鳴ナノ構造

共鳴ナノ構造は、光と物質の相互作用、電磁相互作用の高い局在性、散乱と吸収のための大きな断面に必要な強度を有します。したがって、非常に効果的なスーパーレンズ、集光器、ナノ共振器、サブ波長の導波路にこれらの構造を採用できます。

プラズモニクスは、金属-誘電体界面のナノ構造で発生する光学プロセスを利用するテクノロジーです。表面プラズモンポラリトンは、自由キャリア電子と光子の相互作用によって生じる、これらの界面における非常に限定された電磁波です。

SPPの調整可能な特性により、光と物質の相互作用のナノスケール制御が可能になり、回折限界があるフォトニクスデバイスと次世代集積回路のためのナノスケールエレクトロニクスをつなぐ懸け橋となります。

ナノメートルスケールでの光信号の生成、増幅、処理、ルーティングは、通信、生化学、エネルギーハーベスティング、センシングなど、さまざまな分野で適用される可能性があります。

以下に、ハイブリッドプラズモニック-電子-光集積回路の優れた適用例を示します。

センサーおよびバイオセンサー

局在表面プラズモン共鳴（LSPR）をサポートするプラズモニック材料は、局所的な強電磁界を強化できることで、分光法およびセンシングを大幅に向上させます。

たとえば、プラズモン誘起共鳴エネルギー移動（PIRET）を使用して、発光ダイオード（LED）の効率や、蛍光ベースのセンサーの性能を向上させることができます。

プラズモニクスの優れた用途の1つに、微量の生物学的作用物質や化学物質を検出するためのセンサーがあります。ある研究では、プラズモニックナノ材料を、細菌毒素に容易に結合する物質でコーティングしました。この毒素の存在により、表面プラズモンの周波数が変化し、反射光の角度が変化しました。この効果を測定するには非常に高い精度が必要になるため、微量の物質でも検出できます。

センシングのためのプラスモニックテクノロジーの適用としては、ウイルス感染と細菌感染の区別、あるいは充電速度と電力密度をモニタリングするためのバッテリ内部センサーがあります。

表面プラズモン共鳴（SPR）センサー

SPRセンサーは、環境汚染物質を検出するためのクロマトグラフィー技術の代替となる優れたテクノロジーです。SPRセンシングは、クロマトグラフィーによるクロロプレン検出と同等の精度を示しながら、結果をより高速に得られました。

また、光ファイバーSPRテクノロジーでは、光ファイバーの端部でSPRセンサーを使用しており、光と表面プラズモンの結合が容易になります。これにより、特にリモートセンシングアプリケーションで役立つ超高感度でコンパクトなセンシングデバイスが実現されます。

グラフェンプラズモニクス

金ナノ構造上にグラフェンを積層すると、SPRセンサーの性能が向上することが確認されています。グラフェンの低い屈折率は干渉を最小限に抑え、その大きな表面積は生体分子の捕捉を容易にします。

したがって、グラフェンを採用することで、SPRセンサーの応用範囲が広がります。グラフェンはまた、製造時の高温熱処理（アニール）に対するSPRセンサーの抵抗を向上させることも示されています。

太陽光発電

金、銅、銀を含むグループのプラズモニクス材料は、太陽光発電や太陽電池に採用されています。これらの材料は、電子およびホールドナーとして作用し、IoTネットワークのスマートセンサーに電力を供給する重要な役割を果たします。

プラズモニックナノ材料は、LEDからの光の抽出を改善します。これにより、LEDの明るさと効率を高め、低コストで柔軟かつ軽量なLEDディスプレイを実現することもできます。

光コンピューティング

光コンピューティングは、電子デバイスを光処理デバイスと入れ替えることで、光信号の広帯域幅を活用します。

たとえば、2014年には、二酸化バナジウムプラズモニック材料から製造された200nmテラヘルツ光学スイッチが開発されました。二酸化バナジウムは、不透明な金属相と透明な半導体相を切り替えることができます。

ガラス基板上に二酸化バナジウムのナノ粒子を堆積させ、プラズモニックフォトカソードとして作用する金ナノ粒子で覆います。その後、短いレーザーパルスが印加され、自由電子が金ナノ粒子から二酸化バナジウムメタマテリアルに遷移して、寿命の短い相変化を生じさせます。

二酸化バナジウムスイッチは既存のシリコンベースチップと互換性があり、スペクトルの近赤外領域と可視領域で動作します。近赤外光は通信や光通信において不可欠で、可視光はセンサーや顕微鏡にとって不可欠です。

また、プラズモニックメタマテリアルを使用すると、書き込み中にディスク上の非常に小さな領域を加熱することでメモリストレージを増加させることができ、ディスク上の熱アシスト磁気メモリストレージの拡張も可能です。

顕微鏡

サブ波長プラズモニクスの最大の用途は、光の回折限界を超える顕微鏡です。従来の（正の屈折率を示す）顕微鏡では、この回折限界によって光の波長の半分よりも小さい物体を解像できません。

負屈折率プラズモニック材料から製造されたレンズには回折限界がないため、光スイッチ、光検出器、変調器、指向性発光体などの用途で、従来の顕微鏡の視野を超えて空間情報を捉えることができるスーパーレンズの実現につながります。 

半導体業界は、過去数十年で電子デバイスをナノメートルスケールまで縮小する大きな進歩を遂げています。しかし、10GHz以上の回路を追求する上で、信号遅延が非常に大きな課題となっています。

フォトニクスデバイスは極めて大きな帯域幅をもたらしますが、回折によってフォトニクスコンポーネントのサイズが制限されます。プラズモニックナノテクノロジーは、フォトニクスのマイクロスケール（数百万分の1メートル）の世界とエレクトロニクスのナノスケール（数十億分の1メートル）の世界の架け橋となります。

プラズモニクスの未来は明るく、研究者はグラフェンのような新しいメタマテリアルを扱えるようになるでしょう。企業がロバストで信頼性が高く、リーズナブルな価格のプラズモニックデバイスを製造できる限り、プラズモニックナノテクノロジーは次世代の10GHz+集積回路基板に不可欠な相乗効果を提供する要となります。

プラズモニック材料の市場は、年間約15.5%の成長率で、2023年には110億ドル近くまで拡大し、2031年には400億ドルまで成長すると予測されています。

プラズモニクスの適用事例の詳細については、プラズモニクスアプリケーションのページをご覧ください。

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