メタマテリアルとは？
身近だけれど不思議な新素材
「メタマテリアル（metamaterial）」は、最近よく話題になる先端技術のひとつです。
ひとことで言うと、自然界には存在しない特殊な物性を実現するように人工的に設計・加工された新しい素材のこと！
たとえば、光を自由自在に操ったり、音波や電磁波を思い通りにコントロールできたりと、まるでSF映画の世界のような不思議な性能を持つのです。
言葉としては「メタ（meta）＋マテリアル（material）」の組み合わせですが、「meta」には「超越した」「高次の」「...を超える」といった意味があります。
つまり、一般的な素材の特性を超えた性質を付与するというイメージを表しているんですね！
普段の生活ではまだなじみが薄いかもしれませんが、実はメタマテリアルが研究され始めたのは20世紀の後半から。
最近になっていろんな分野で応用研究が盛り上がってきたため、耳にする機会が増えてきました。
そもそもメタマテリアルの何がすごいのか？
自然界にない「負の屈折率」の実現
メタマテリアルの研究で特に話題となったのが、「負の屈折率」という考え方です。
通常、光や電磁波は屈折するとき、たとえば水と空気の境界を通る際に「進行方向が曲がる」ことがありますよね。
この曲がり方がマイナス方向に働く、つまり通常では絶対に起こりえない方向に屈折するという現象がメタマテリアルで可能になるのです！
「負の屈折率」があると何ができるの？ と思われるかもしれません。
実は、これを利用すると「超解像レンズ」と呼ばれる、従来の光学レンズでは実現できない超高精細な画像を取得できるレンズが理論的に作れると言われています。
これは計測や顕微鏡技術はもちろん、光学デバイス全般にも革命を起こすほどのポテンシャルを秘めています。
電磁波・音波を巧みに操れる
メタマテリアルの魅力は光学だけにとどまりません！
たとえば、電波や音波など、さまざまな波を操る研究が行われています。
電磁波ならレーダー技術や通信技術に、音波ならノイズキャンセリングや超音波治療などに応用が見込まれています。
メタマテリアルを使うと、今までとは全く違ったアプローチで波を制御できるようになるかもしれないのです。
「見えなくする」ステルス技術の可能性
もうひとつよく語られるのが、いわゆる「透明マント」のアイデアです。
映画『ハリー・ポッター』に登場する「透明マント」のように、物体を電磁波や光から“隠してしまうステルス技術が現実味を帯びてきたのもメタマテリアルの研究成果のひとつ。
実際のところ完璧な透明化はまだ研究段階にありますが、軍事技術やセキュリティ分野などで実装される日もそう遠くないかもしれませんね。
メタマテリアルのメカニズム
構造が生み出す特殊な性質
自然界の物質は、分子や原子の配置や種類によって性質が決まりますが、メタマテリアルはナノスケールからミクロスケールに至るまで、人の手で精巧に作られた人工的な構造によって性質を生み出します。
つまり、素材そのものの化学組成というよりは「どんな形状・配置にするか」が最も重要なんですね！
たとえば、微小な金属パターンを格子状に並べることで、光や電磁波を独特の形で反射・透過させたり、位相を変化させたりできます。
この「構造で性質をコントロールする」手法がメタマテリアルの肝！
だからこそ、自然界の物質では得られない不思議な特性を引き出せるわけです。
負の誘電率・負の透磁率
メタマテリアルの理論を語るうえで欠かせないのが、「誘電率（electric permittivity）」や「透磁率（magnetic permeability）」といった物理量です。
これらは電磁波の振る舞いを表す重要なパラメータであり、通常の素材では正の値をとります。
一方、メタマテリアルでは特定の周波数帯においてこれらが負の値になりうる、という驚くべき性質が指摘されているのです。
誘電率や透磁率が負になると、先ほど触れた「負の屈折率」が実現したり、電磁波が従来の直感とはまったく違う方向に曲がっていったりします。
このパラメータを設計者が自由にデザインし、目的に合わせて電磁波を制御できるところがメタマテリアルの大きな強みです。
マルチスケール構造と周波数特性
メタマテリアルを制作するには、光の波長や電子レンジの周波数帯など「使いたい波のスケール」に合わせて構造を設計します。
波長のオーダーにぴったり合うようにナノレベル、あるいはマイクロレベルで加工する必要があるため、先端的な微細加工技術やナノテクノロジーが欠かせません。
たとえば、可視光を操るレンズを作りたいなら、可視光（およそ波長400〜700nm）よりも細かいパターンが必要です。
音波の制御を目指す場合は、その音波の波長に合わせたミリメートル単位またはマイクロメートル単位の構造を使うこともあります。
こうした「目的の周波数帯にあった人工構造を設計する」プロセスがメタマテリアルの要といえるでしょう。
メタマテリアル研究の課題と展望
大量生産やコストの問題
メタマテリアルはナノからマイクロといった極小スケールでの精密な加工を必要とします。
そのため、一部の実験室レベルでは高性能なメタマテリアルが作られているものの、大量生産となると設備投資やコスト面の課題が立ちはだかります。
今後、微細加工技術がさらに進歩してコストダウンが進めば、実用化へのハードルが格段に下がるでしょう。
周波数の幅広い対応
メタマテリアルの強みは「特定の周波数に対して優れた制御能力を発揮できる」点ですが、逆に言えば「ある周波数だけを狙って設計する」必要があります。
可視光、赤外線、マイクロ波、テラヘルツ波など、どの周波数帯をターゲットにするかによって設計や素材が全く異なるため、万能なメタマテリアルを作るのは簡単ではありません。
しかし、周波数選択的に設計できるということは、デバイスを高度に最適化しやすいとも言えます。
今後は複数の周波数帯を同時に制御できる「マルチバンドメタマテリアル」も注目されそうです！
耐久性と実用的な強度
メタマテリアルは微細構造が命ですが、繊細な構造ゆえに衝撃や高温などで壊れやすいといった問題もあります。
実用上は高い強度や耐久性が求められますよね。
耐久性に優れた高分子材料や金属材料を使いつつ、微細構造を保護する工夫が研究されています。
航空機や自動車に実際に使えるレベルになるには、この点をクリアする必要があるでしょう。
社会実装への期待
メタマテリアルの研究は、大学や公的研究機関にとどまらず、多くの企業でも進められています！
スマートフォンのアンテナ開発やレーダーシステムなど、製品開発に近い形での実装研究が増えており、ここ数年で目覚ましい成果が報告されています。
社会実装がさらに加速すれば、思いもよらない新技術や製品が次々と生まれる可能性が高いでしょう。未来の技術を支える大黒柱になるかもしれませんね。
まとめ
メタマテリアルは、私たちの常識をくつがえすような革新的な物理特性を実現する新素材です！
負の屈折率やステルス技術など、聞くだけでワクワクするようなキーワードがたくさん登場しますが、それらの技術が今まさに着実に研究・開発されていると考えると、未来への期待が膨らみますよね。
実際に市販レベルで販売されているメタマテリアル製品はまだ少数ですが、10年、20年先には私たちの周囲の多くのモノにメタマテリアル技術が使われているかもしれません。
通信、医療、建築、エネルギー、そしてエンターテインメント。あらゆるジャンルのデバイスが、大幅に性能向上したり、まったく新しい機能を持ったりする日がやってくるでしょう。
今後も研究開発の進展を見守りながら、身近なニュースや新製品情報にも注目してみてください！
「そういえばメタマテリアルって言ってたな！」と、ふと思い出す機会が増えるかもしれません。少しでもこの新素材の面白さを感じ取っていただけたなら幸いです。