主要成果
オーストラリア研究評議会の変革的メタ光学システムセンター（TMOS）の研究チームは、2つのデバイスの機能を同時に果たすスマートナノ材料を開発しました。この新開発のメタサーフェスを用いることで、従来はほぼ不可視であった微小物体をイメージングすることが可能になります。特に、可動部品を一切使用せずに定量位相顕微鏡（QPM）を実現した点が画期的であり、これにより医療現場で即座に診断を行うポイントオブケア（POC）デバイスの小型化への道が開かれました。
技術・詳細
本技術の核心は、ナノフォトニクスの複数の進歩を単一の表面に統合した点にあります。メタサーフェスとは、光の波長と同程度のサイズの構造体を配列した極薄の表面であり、天然の材料では不可能な方法で光を制御できます。研究チームは、従来のレンズのように個々の光線の軌道を変更するのではなく、画像全体を処理する「非局所（nonlocal）」メタサーフェスを採用しました。これにより、光学素子間に大きな隙間を設ける必要がなくなり、サンプルを直接的に配置できるため、装置の極端なコンパクト化が可能となりました。
さらに、定量的な位相シフトを測定するQPMを実現するため、波長マルチプレクシング（多重化）アプローチを導入しています。特定の狭い波長帯にのみ反応する2組の独立したナノ構造を単一表面に組み込むことで、干渉させることなく、垂直方向の位相変化を同時に測定することに成功しました。また、微分位相コントラスト（differential phase contrast）を組み込むことで、最終的なQPM画像のノイズを低減させています。
背景・業界の文脈
生物学や医学において、透明に近い微小物体のイメージングは疾患診断に不可欠です。一般的に用いられる位相顕微鏡は、光の強さではなく光波の山と谷の相対的な位置の変化（位相）から画像を作成するため、時間のかかる染色処理なしでサンプルを観察でき、サンプルの変質を防げる利点があります。しかし、従来のQPMセットアップでは、装置の小型化、測定時間、基本性能の間にトレードオフが存在していました。本研究は、これらの課題を単一のメタサーフェスで解決することを目指したものです。
今後の展望
この技術は、細胞の形状や成長パターンに依存する疾患の診断に活用される見込みです。短期的には、製造コストとハードウェアの課題が残っています。現在は電子ビーム作製法を用いていますが、商用ナノインプリントリソグラフィーへの移行により、量産性の向上が期待されます。また、現在は精密に調整可能な照明が必要ですが、研究者のHaiwei Wang氏は、よりシンプルな赤外線LED構成を用いて商用顕微鏡への統合を進めています。将来的には、生体内（in vivo）での内視鏡イメージングや波面センシングなどの超小型センサーへの応用が視野に入っています。
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