ライス大学の研究者らは、レーザー光がヤヌス遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）と呼ばれる特定の2次元半導体内の原子を物理的に移動させることを発見した。このオプトストリクション効果は、第2高調波発生パターンの変化を通じて観察され、材料の非対称性と先進的な光学技術の可能性を強調する。この発見は、より高速なフォトニックチップと高感度センサーを可能にする可能性がある。
2025年11月14日にACS Nanoに掲載された研究で、ライス大学の科学者らは、光が超薄型ヤヌスTMD材料で機械的力を生成し、原子格子のシフトを引き起こすことを実証した。これらの材料は、2つの顔を持つローマ神ヤヌスにちなんで名付けられ、上層と下層に異なる化学元素を持つ非対称構造を特徴とし、例えばモリブデン硫黄セレン化物がモリブデン二硫化物上に積層されている。
Shengxi Huang氏（電気・コンピュータ工学准教授）が率いるチームは、さまざまな色のレーザービームを使用して材料の応答を探った。彼らは第2高調波発生（SHG）に焦点を当て、材料が入射周波数の2倍の光を発する現象である。レーザーが材料の共振に一致すると、典型的な6点の「花」のSHGパターンが歪み、原子の移動を示した。
「ヤヌス型モリブデン硫黄セレン化物とモリブデン二硫化物に光を当てると、材料内部に小さな方向性のある力が生成され、それがSHGパターンの変化として現れることを発見しました」と、ライス大学の博士課程修了生で筆頭著者のKunyan Zhang氏は語った。「通常、SHG信号は結晶の対称性を反映した6点の『花』の形状を形成します。しかし、光が原子を押すと、この対称性が崩れ、パターンの花弁が不均等に縮小します。」
オプトストリクションと呼ばれるこの現象は、光の電磁場が原子に力を加えることで生じ、ヤヌスTMDの強い層間結合によって増幅される。「ヤヌス材料はこの現象に理想的です。なぜなら、不均一な組成が層間の結合を強化し、光の微小な力に対してより敏感になるからです」とZhang氏は説明した。
この発見は、電気システムを上回る低発熱の光ベース技術への扉を開く。潜在的な応用には、エネルギー効率の高いフォトニックチップ、振動や圧力用の超高感度検出器、ディスプレイやイメージング用の調整可能光源が含まれる。
「このような能動制御は、次世代フォトニックチップ、超高感度検出器、または量子光源の設計に役立つ可能性があります。これらの技術は、光を使って情報を運び処理し、電力に頼らないものです」とHuang氏は述べた。
TMDは、モリブデンなどの遷移金属と硫黄やセレンなどのカルコゲンから構成され、次世代デバイスでの導電性、光吸収、柔軟性で高く評価されている。この研究は、National Science Foundation、Air Force Office of Scientific Research、およびその他から資金提供を受けた。