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光物理学：サブバンド間遷移と結合したプラズモニックメタ表面の巨大非線形応答
Nature 511, 7507 doi: 10.1038/nature13455
n型ドープ多重量子井戸半導体ヘテロ構造体のサブバンド間遷移によって、凝縮物質系において知られているものの中で最も大きな非線形光学応答の1つを操作できるが、この非線形応答は、半導体層と垂直に電場偏光した光に限定されている。別の状況では、光–物質相互作用を強く増強し、エキゾチックな波動特性を持つ平坦化した極薄デバイスを実現する手段として、プラズモニックメタ表面（薄い導体と誘電体の複合材料）が提案されている。今回我々は、プラズモニックメタ表面の電磁モードと半導体ヘテロ構造における量子工学的電子サブバンド間遷移の結合に基づく、過去最高の非線形応答を持つメタ表面を提案し、実験的に実現した。我々は、こうした構造の非線形感受率テンソルのほぼ全ての成分を操作できることを示し、垂直入射において波長約8 μmの第二高調波発生に対して、1 V当たり5 × 104ピコメートル以上の非線形感受率を持つ厚さ400 nmのメタ表面を実現することによって、この概念を実験的に確かめた。この感受率は、これまで測定された光メタ表面のあらゆる二次非線形応答より数桁大きい。提案した構造体は、緩和された位相整合条件で効率の高い周波数混合を可能にする極めて非線形な極薄光学素子となり得るので、広帯域の周波数アップコンバージョンやダウンコンバージョン、位相共役、表面の全光制御や調整可能性を実現するのに理想的である。
