ホログラフィック・ビデオ技術の基礎となる電気的に切り替え可能なナノアンテナを開発

ホログラフィック・ビデオ技術の基礎となる電気的に切り替え可能なナノアンテナを開発 物理
©University of Stuttgart/PI4, Julian Karst

ビデオ会議は、コロナパンデミックの際に重要な役割を果たし、今後も多くの会議で利用されることが予想されています。

しかし、実際に対面しているかのような臨場感を得るためには、立体的な映像が必要であり、そのためのホログラフィック技術はまだ存在していません。

今回、ドイツのシュトゥットガルト大学の研究者らは、このようなダイナミックなホログラフィックディスプレイを実現するために、導電性金属ポリマーから作られた電気的に切り替え可能なプラズモニックナノアンテナをベースにした、まったく新しいアプローチを導入しました。

この重要な要素は、ビデオレートでのホログラフィックディスプレイを可能にするための不足している技術を提供するものであり、これにより「臨場感」のある仮想会議が可能になります。

本研究の詳細を記した論文は、2021年10月29日付の学術誌「Science」に掲載されました。

未来のバーチャル会議。

未来のバーチャル会議。右側の会議参加者はVR/ARゴーグルを装着しており、左側の女性のホログラムが表示されている。©University of Stuttgart//PI4, Julian Karst

印象的な3次元の静止画像を作り出すホログラムはよく知られています。

しかし、高速インターネット回線のデータを利用してビデオレートで切り替えられるダイナミックなホログラムは、これまで実現されていませんでした。

これまでは、ディスプレイの解像度が限界でした。

ホログラム画像の解像度は50,000dpi(ピクセル・パー・インチ)が必要で、これはスマートフォンのディスプレイの100倍に相当します。

この解像度を実現するためには、ピクセルサイズを半分のマイクロメートル(1ミリメートルの数千分の1)にする必要があります。

しかし、現在の液晶技術では、そのような小さな画素を実現することはできず、数マイクロメートルの画素サイズが限界です。

シュトゥットガルト大学の研究者たちは、この根本的な壁を破ることに成功しました。

物理学と化学の学際的なコラボレーションにより、導電性ポリマーから作られたわずか数百ナノメートルの寸法の電気的に切り替え可能なプラズモニックナノアンテナを使用するアイデアを開発しました。

切り替え可能な材料としての導電性機能性ポリマー

切り替え可能な材料としての導電性機能性ポリマー

金属ポリマーメタサーフェスの走査型電子顕微鏡(SEM)像。©University of Stuttgart//PI4, Julian Karst

数年前から、研究者たちは静的な3次元ホログラムを生成するメタサーフェス1波長に対して小さい構造体を周期配置して任意の誘電率・透磁率を実現する人工媒質(メタマテリアル)の一種で、構造体の周期配置を2次元とした人工表面 出典AGCを作成してきました。

しかし、その構成要素であるナノアンテナは、金やアルミニウムなどの金属でできており、一般的な液晶材料のように切り替えることができませんでした。

そこで、Harald Giessen教授のグループに所属する博士課程の学生、Julian Karst氏とナノフォトニクスの専門家、Mario Hentschel博士が、高分子化学者のSabine Ludwigs教授のチームとともに、数年間にわたって適切な材料を探し続けた結果、電気伝導性ポリマーがスイッチング可能なプラズモニクスの候補であることが判明しました。

Ludwigs氏は、2000年のノーベル化学賞を受賞した機能性ポリマーの電気化学的スイッチングに関する専門知識を提供してくれました。

これまでこのような材料は、主にフレキシブルディスプレイや太陽電池の電流輸送に使用されてきました。

Karst氏とHentschel氏は、クリーンルームの責任者であるMonika Ubl氏と共同で、電子線リソグラフィーとエッチングを組み合わせて金属ポリマーをナノ構造化するプロセスを開発し、それによってプラズモニックナノアンテナを形成しました。

研究チームは、マイナス1ボルトからプラス1ボルトの電圧をかけることで、ナノアンテナの光学的外観を光沢のある金属と透明な素材の間で切り替えることができることを示しました。

このスイッチング効果は、30ヘルツのビデオレートでも機能します。

このナノアンテナは、厚さが数十ナノメートル、大きさが400ナノメートル以下であるにもかかわらず、現在の最先端技術で使われている、はるかに大きくて厚い液晶と同じ働きをします。

この新しいデバイスは、必要とされる約50,000dpiの画素密度に達します。

左:プラズモニックポリマーナノアンテナを誘電体(ガラス状)に変化させた状態の画像。

左:プラズモニックポリマーナノアンテナを誘電体(ガラス状)に変化させた状態の画像。下からの光は偏向されることなく上に抜けていく。右:金属状態に切り替えたプラズモンポリマーナノアンテナのイメージ。下からの光は、サンプルを通過する際に横に偏る。また、上に向かうにつれて光の向きが変化している(螺旋状の光の回転方向が異なることがわかる)。©University of Stuttgart//PI4, Julian Karst

Karst氏は、このナノアンテナから、電圧をかけることで赤外線レーザービームを片側に10°偏向させることができる単純なホログラムのメタサーフェスを作成しました。

現在、Karst氏は、この偏向をさまざまな角度で利用できるようにして、自動車業界で注目されている自律走行車のLIDAR2「光検出と測距」ないし「レーザー画像検出と測距」は、光を用いたリモートセンシング技術デバイスへの応用を目指しています。

また、Karst氏は、±1ボルトの電圧をかけるだけでON/OFFが可能な、光学レンズのようなホログラムを作成しました。

この技術は、将来のスマートフォンのカメラや、印加3電気回路に電源や別の回路から電圧や信号を与えるする電圧を切り替えることで広角から望遠にズームできる光学センサーにとって非常に重要です。

現在、この機能を実現するためには、最大で4つのレンズが必要です。

Harald Giessen教授のチームは、将来的には、1つ1つのピクセルに個別に対応し、ビデオレートでホログラムを自由に動的に変化させることを目指しています。

また、ポリマーナノアンテナの光学特性を可視波長域にシフトする必要があり、化学者や材料科学者との共同作業が必要になります。

エンジニアと協力して、統合された動的に切り替え可能な光学ディスプレイと初の動くホログラムをAR/VRゴーグルに組み込み、最終的にはスマートフォンのスクリーンやテレビにまで応用することができます。

ディスプレイ技術のムーアの法則を考慮すると、この100分の1の進歩は、2035年頃に商業的に実現することができます。

Published by University of Stuttgart. Julian Karst et al, Electrically switchable metallic polymer nanoantennas, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abj3433