電波を反射する面を小さな画素に分け、それぞれの反射の仕方を変えると、面全体で電波の進む方向を調節できます。ただし、画素を増やすたびに配線も増えると、大きな面を作りにくくなります。南京大学などの研究チームは、メモリーの読み書きに使うクロスバー型の配線と、不要な電流を抑える選択素子を組み合わせ、テラヘルツ波を画素ごとに制御するメタサーフェスを報告しました。論文は2026年10月30日にNature Communicationsの採択後の掲載初期版（Article in Press）として公開されています。
簡単にまとめると？
- 行と列の配線を共有すると、N×N画素の制御線をN²本から2N本に減らせます。難しいのは、選んでいない画素へ回り込む電流です。
- 二酸化バナジウムの選択素子を各画素のヒーター回路に直列接続し、必要な画素へ熱を書き込めるようにしました。反射の強さの模様と、波の位相によるビームの方向制御を別々の装置で実証しています。
- 書き込みの電圧を切っても状態を保てますが、実証では温度を一定に保つ必要があります。通信速度や装置全体の省電力性能を示した研究ではありません。
配線を共有すると、電流にも抜け道ができる
メタサーフェスは、波長より小さな構造を並べ、入射した波の反射や透過を調節する薄い面です。今回使うのは、金属の微細構造と二酸化バナジウム（VO₂）を組み合わせた反射型の構造です。VO₂は温度によって電気の流れやすさが大きく変わり、その変化が金属構造を含む面の電磁的な応答を変えます。
画素を一つずつ独立した線につなぐ方法では、N×N画素に対してN²本の制御線が必要になります。研究チームは行と列の線を使い、交点の画素を選ぶクロスバー方式を採りました。たとえば8×8画素なら、この比較での線数は64本から16本になります。これは配列へつながる制御線の数の比較であり、電源や周辺回路まで含む装置全体が4分の1になるという意味ではありません。
しかし、交点にヒーターをつないだだけでは、選んだ行と列の間に複数の電流経路ができます。他の画素を通って戻る経路にも電流が流れ、意図していない場所を加熱してしまいます。この回り込みが「スニークパス」です。配線を共用する利点を残しながら、書き換えたい画素を選び分ける仕組みが必要になります。
選択素子を通してから、ヒーターへ電流を流す
今回の1S1H構成は、1個のセレクター（選択素子）と1組のヒーター回路を直列につないだものです。セレクターにもVO₂を使いますが、波を変調する部分とは役割が異なります。小さな電圧では高い抵抗を保ち、一定の電圧を超えると抵抗が急に下がる特性を利用して、回り込む電流を抑えます。
選んだ画素には書き込み用の電圧がかかり、セレクターが電流を通してヒーターが加熱します。加熱で変調部分のVO₂の状態が変わり、その画素でのテラヘルツ波の反射も変わる、という順序です。変調部分へ直接電流を流すのではなく、分けて設けた微小ヒーターで温める構造になっています。
振幅を制御する画素には5×10個の単位構造があり、対応する50個の微小ヒーターを直列につないでいます。「1H」は単位構造一つのヒーターではなく、この加熱回路を指します。素子の試験ではセレクターの高抵抗状態と低抵抗状態の比が約880と報告されています。ただし、この比だけで大きな配列が動作したと判断することはできません。配線の抵抗や、どれだけの意図しない加熱を許せるかも影響します。
反射の模様と、ビームの向きは別の実証
振幅制御では、研究チームは8×8画素の配列を4枚つなぎ、16×16画素の面を作りました。0.475 THzで反射の強い画素と弱い画素を測り、文字などの模様が書き込まれたことを確認しています。これは波の反射の強さを場所ごとに変えた実証です。
ビームの方向を変えるには、波の振動のタイミングにあたる「位相」も扱います。研究チームは、約180度異なる二つの位相状態を使う別の16×16画素の配列を製作しました。二つの状態を場所ごとに並べる1ビット位相符号化により、反射した波が強め合う方向を変えます。各画素には5×5個の単位構造があり、振幅制御用の画素と構成を区別する必要があります。
行方向または列方向に周期的な模様を書き込む実験では、ビームの角度を18〜34度の範囲で変えました。さらに、行と列の両方を使う市松模様では、斜め方向へ反射波を向けています。1ビットの周期模様には複数の回折ビームが生じるため、任意の方向へ単独のビームを連続的に向けられるとまではいえません。
| 結果 | 測定・計算の範囲 | 区別したい点 |
|---|---|---|
| 16×16画素の反射模様 | 8×8配列4枚を接続した振幅制御装置の測定 | 位相制御用の16×16配列とは別装置 |
| ビームの方向制御 | 2状態の位相を使った16×16配列の測定 | 通信リンクの速度や誤り率の実証ではない |
| 32×32配列の不要な電圧の抑制 | 選択素子の特性を与えた回路シミュレーション | 同じ規模の実機を測定した結果ではない |
| 5万回の切り替え | 58℃の揮発的な動作条件での素子試験 | 状態を長時間保持する動作の耐久回数とは別 |
状態を覚えるための温度条件
VO₂は、温度を上げたときと下げたときで状態変化の経路が異なります。これをヒステリシスと呼びます。この性質を利用すると、同じ温度でも、それまでに加熱したかどうかに応じて二つの状態を保てます。研究では、一定の温度を維持しながら電気パルスで画素を書き換えています。
論文が示す12時間の保持は、書き込み後に外部の電気的なバイアスを取り除き、温度を保った状態でビームの形を比較した結果です。部屋の温度に戻し、温調を含む全電源を切って12時間保持した実証ではありません。装置の消費電力を比べるには、画素を書き換えるエネルギーだけでなく、温度を保つためのエネルギーも数える必要があります。
公開初期版の本文・図5は位相制御と12時間保持の条件を65℃と記載しています。一方、補足資料Note 8には、65〜67℃で位相差を測定し、後続のビーム方向制御には66℃を選んだとの記載があります。この条件の食い違いは残っており、温度に関する詳細な比較には掲載版の更新を確認する必要があります。温度の維持が必要という結論と、個々の測定温度の整合は分けて扱うべき点です。
大きく、速く動かすために残る課題
今回の試作では、画素を順番に書き換えています。行単位で並列に書き込んで更新を速めることや、64×64以上へ拡張することは今後の課題です。赤外光や可視光への展開も提案されますが、この論文で同じ性能を実証した対象はテラヘルツ帯です。
今後の装置を比べるなら、画素数に加えて、画素を個別に選べるか、面全体を書き換える時間、不要な画素への影響、保持に必要な温調を確認すると見通しがよくなります。今回の成果は、配線を共有すると生じる電流の回り込みを制御し、反射面の画素を選んで書き換える仕組みを実機へつないだ点にあります。
出典
- Guo, H. et al. “Memristive crossbar architecture for programmable and scalable terahertz metasurface”, Nature Communications, 2026年10月30日公開のArticle in Press。本文、図1〜5、Methods、データ・コード提供条件、利益相反の記載を参照。
- 同論文のSupplementary Information。配線と書き込み手順、測定装置、1ビット位相制御、今後の回路方式を参照。同じ研究の補足資料であり、独立した追試ではありません。