背景紹介 アト秒科学（attosecond science）は、原子、分子、固体中の電子の超高速ダイナミクスを研究する最先端の分野です。高次高調波発生（High-Order Harmonic Generation, HHG）とアト秒パルスの実験的実現以来、アト秒科学は急速に発展し、電子ダイナミクスを研究する強力なツールとなっています。しかし、従来のチタンサファイア（Ti:Sapphire, Ti:Sa）レーザーは、高次高調波発生とアト秒パルス生成において優れた性能を発揮するものの、その高い量子欠陥と熱負荷により、高繰り返し周波数と高平均出力での応用が制限されています。近年、イッテルビウム（Ytterbium, Yb）ドープレーザーは、その低量子欠陥、高繰り返し周波数、高平均出力の特性により、...

学術的背景 情報時代の到来に伴い、集積回路（Integrated Circuits, ICs）は技術進歩を推進する中核的な力となっています。しかし、従来の集積フォトニクスプラットフォーム（シリコン、窒化シリコンなど）は材料特性に多くの制限があります。例えば、シリコンの間接バンドギャップはレーザーアプリケーションでの使用を制限し、シリコンの近赤外波長域での強い二光子吸収は非線形光学アプリケーションでの性能を制限しています。これらの制限を克服するため、研究者たちは優れた光学特性を持つ二次元材料（2D Materials）をフォトニックチップに統合することを探求し始めました。グラフェン（Graphene）、遷移金属ダイカルコゲナイド（Transition Metal Dichalcogenides...

学術的背景 近年、構造化光（structured light）は、高エネルギー物理学、宇宙論、磁性材料、超流体におけるトポロジカル・スキルミオン（skyrmion）テクスチャを模倣する可能性を示しています。スキルミオンは非特異的で局所的なトポロジカル構造であり、当初は核物理学で提案され、その後、超流体、磁性材料、ボース・アインシュタイン凝縮（Bose-Einstein condensates）で広く研究されてきました。光学スキルミオンはデータエンコーディングやストレージに潜在的な応用がありますが、そのトポロジカル構造を物質に転送し保存する研究は非常に限られています。本論文はこの問題に取り組み、レーザービーム内のスキルミオン・トポロジーを冷原子ガスに高忠実度でマッピングし、新しい非伝播形式で検...

学術的背景 地球規模の気候変動の進行に伴い、建築物のエネルギー消費、特にエアコンシステムのエネルギー消費が増加し続けています。統計によると、建築物のエアコンシステムは世界の年間電力消費量の約10%を占めており、この数字は二酸化炭素排出量の増加と共に上昇し、地球温暖化の悪循環をさらに加速させています。受動的放射熱管理技術、特に選択的なスペクトル変調を利用した放射冷却技術は、この問題を解決する可能性のある手法として注目されています。この技術は、太陽光（0.3-2.5 μm）を散乱させ、大気窓（8-14 μm）を通じて熱を宇宙空間（約3 K）に放射することで、追加のエネルギー投入や環境汚染を必要とせずに自動的に温度調節を実現します。 しかし、既存の放射冷却材料、例えばガラス、ブロック、フィルム、コ...

微コーム技術の学際的進展：物理学と情報技術をつなぐ架け橋 学術的背景 光学周波数コーム（Optical Frequency Comb, OFC）は、光周波数領域を一連の離散的かつ等間隔の周波数線に分割する技術であり、精密測定、光通信、原子時計、量子情報などの分野で広く応用されています。しかし、従来の周波数コーム装置は通常、大規模で複雑であり、現代科学や技術が求める携帯性や集積化のニーズを満たすのが困難です。近年、マイクロコーム（Microcomb）技術はそのコンパクトさ、高効率、多機能性により注目を集めています。マイクロコームは、光学マイクロキャビティ内の非線形効果を利用して生成され、チップレベルで周波数コームの機能を実現できるため、多くの分野に革命的な変化をもたらしています。 マイクロコー...

大視野、単細胞分解能の二光子および三光子顕微鏡による深部および広域イメージング 研究背景と問題提起 多光子顕微技術（Multiphoton Microscopy, MPM）は、特に生体脳機能研究において不可欠な深部組織イメージングのための強力なツールです。しかし、従来の二光子顕微鏡（Two-Photon Microscopy, 2PM）は比較的大きな視野（Field of View, FOV）を実現できますが、そのイメージング深度は通常浅い皮質領域に限定され、脳の深部構造には到達できません。一方、三光子顕微鏡（Three-Photon Microscopy, 3PM）はより深いイメージングが可能ですが、熱損傷によりレーザーの繰り返し周波数が制限され、視野が小さく、イメージングスループットが低...

超容量完全ベクトル渦ビームの実現 研究背景と問題提起 光学渦（Optical Vortex）は、その独特な軌道角運動量（Orbital Angular Momentum, OAM）特性により、光学多重化、粒子操作、イメージング、ホログラフィックディスプレイ、光通信、光学暗号化などの分野で大きな応用可能性を示しています。しかし、従来の渦ビームは通常、グローバル位相変調方式を使用して生成され、その位相荷（Topological Charge, TC）が単一で強度分布が均一であるため、空間情報のさらなる活用が制限されています。また、偏光などの自由度を導入して情報容量を増やそうとする試みもありますが、局所的な空間強度情報は依然として十分に探索されていません。 この制限を突破するため、清華大学深セン国...

超高速ナノ分光およびイメージング技術の最新進展：プローブ顕微鏡に基づく応用 研究背景 近年、光学顕微技術の急速な発展に伴い、科学者たちはナノスケールでの物理現象に対する理解を大幅に深めました。しかし、従来の遠視野光学顕微技術は光学回折限界に制約され、サブ波長レベルの空間分解能を達成することが困難です。一方で、量子材料、二次元材料（2D Materials）、有機分子材料などの新素材の研究需要が増加しており、これらの材料における光-物質相互作用はしばしば非常に短い時間スケール（フェムト秒からナノ秒）と非常に小さい空間スケール（ナノメートルからオングストローム）で発生します。そのため、高空間分解能と高時間分解能を同時に提供できる顕微技術の開発が科学研究において重要となっています。 従来の光学顕微...

量子イメージング技術の新ブレークスルー：非線形メタサーフェスによる光子対生成と応用 研究背景と問題 近年、量子イメージング技術は、低光子フラックス、古典的回折限界を超える解像度、高セキュリティといった潜在的な利点により注目を集めています。しかし、従来の量子イメージングシステムは通常、体積型の非線性結晶（例えばBBOやPPKTP）に依存しており、これらの材料の厚さは通常ミリメートルレベルであり、横方向運動量整合条件での発光角度範囲が制限され、イメージング視野（Field of View, FOV）や解像度が制約されていました。さらに、従来の結晶の調整可能性は限られており、多波長操作や高速ビームスキャンを実現するのは困難です。 これらの問題を解決するために、研究者たちはメタサーフェス（metas...

光学活性材料における非局所的分散の応用研究 研究背景と問題提起 近年、科学者たちは光と物質の相互作用の探求において顕著な進展を遂げ、特に天然結晶中で発見された双曲分散（hyperbolic dispersion）などの新現象が注目されています。しかし、現在の研究は主に局所光学応答に焦点を当てており、この応答は空間分散効果を含まない誘電率テンソルによって記述されます。これは、従来の研究が通常、線形偏光特性を持つ現象に限定され、他のより複雑な光学的挙動を無視していることを意味します。例えば、局所光学応答の時間分散はDrude-Lorentzモデルで説明できますが、その強い時間分散はしばしば大きな光学損失を伴い、探査可能な現象の範囲を制限しています。 これらの限界を克服するために、研究者たちは特に...