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一般相対性理論の最初の観測的検証のひとつは、質量があると光の進路が曲がるというものだった。光がガラスなどの透明な物質に入ると屈折して方向が変わるだけでなく、曲がった浴槽に沿って曲がるのだ。この効果は、ブラックホールから重力レンズ、ダークマターの観測に至るまで、さまざまな物理現象の中心となっている。しかし、この効果は人間の尺度では非常に小さいため、研究室では簡単に研究することができない。しかし、歪んだフォトニック結晶を用いた新たな発見により、将来はその状況が変わるかもしれない。

フォトニック結晶とは、ナノメートルオーダーの周期的な屈折率を持つ物質である。オパールやある種の蝶の羽などに自然に存在し、カラフルな真珠のような波紋効果をもたらす。1800年代から知られていたが、1980年代後半に簡単なフォトニック結晶が作れるようになり、この材料の研究が本格化した。

天然のフォトニック結晶であるオパール。オパール組織内では誘電率が光の波長オーダーである数百nmごとに変化しているため構造色を生じ、特有の色合いが生まれている。

光ファイバーやその他の高度な光学材料は、フォトニクスの分野を切り開いた。そこでは、特定の波長に敏感に反応するように調整したり、光をより効果的に集束させるなど、非常に特殊な特性を持つフォトニック結晶材料を作ることができるようになった。この新しい研究は、歪んだフォトニック結晶として知られる材料の一種に焦点を当てている。

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歪んだフォトニック結晶で光を曲げる。 (Credit: K. Kitamura et.al)

通常、クリスタルには歪みがあってはならない。材料に一貫性を持たせれば持たせるほど、そこを通過する光の挙動が均一になるからだ。しかしこの場合、研究チームは結晶格子の間隔を徐々に変形させることができた。つまり、材料を通過するにつれて、周期的な屈折率が徐々に変化するのだ。これは光にとって、ブラックホールのような巨大な物体の近くを通過する光と同じように、屈折の量が徐々に変化することを意味する。その結果、光は重力レンズ光と同じような湾曲した経路をたどることになる。

著者らはこの効果を擬重力と呼んでおり、一般相対性理論の効果をシミュレートするために使うことができるとしている。銀河のレンズ効果、あるいはブラックホールの事象の地平面のシミュレーションをシミュレートするフォトニック結晶を作ることができると想像できるだろう。適切な特性を持つ歪んだ結晶を作ることができれば、あらゆる種類の擬似重力実験が可能になる。

擬似重力は大きな見出しになるが、歪んだフォトニック結晶の初期の用途は光通信と光コンピューティングになるだろう。この結晶は、強度や信号を大きく損なうことなく光路を偏向させることができるため、超高速インターネットや次世代のモバイル通信などの強力なツールとなるだろう。

つまり、擬似重力実験が実現した暁には、信じられないほどのスピードと効率で結果を伝えることができるようになるのだ。


論文


この記事は、BRIAN KOBERLEIN氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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