異なる波長で、ナデル・エンゲタは光のコミュニティをリードします

科学技術

ナデル・エンゲタさんは、魚について心理学部から電話を受けたとき、当惑した。

1990 年代初頭、ペンシルバニア大学工学応用科学大学院に電気工学の准教授として着任したエンゲタは、電波技術の専門家として尊敬されていました。しかし近年、彼の作品はよりエキセントリックかつ根本的な主題にまで拡大しています。

一連の新しい出版物が証明しているように、エンゲタの電磁波への関心は無線周波数に限定されませんでした。いくつかの研究では、「キラルメディア」として知られる物質の種類、つまり左または右の「利き手」の性質を示す分子構成を持つ物質との一連の波動相互作用を調査しました。他の研究者たちは、「分数微積分」と呼ばれる数学の不可解な分野の実用的な電磁気的応用を確立した。この分野は、本来の微積分と同じニュートンのルーツを持つが、家族には文字通り2人半の子供がいるかもしれないという示唆として眉をひそめるほどの前提を備えている。。

電磁波は、波長のスペクトルに基づいて構成されます。スペクトルの短い端には、X 線などの高エネルギー波があります。真ん中には、可視光として見える限られた範囲があります。そして、より長い端には、無線と熱の低エネルギー体制があります。

研究者は、1 種類の波またはスペクトルの 1 つのセクションに焦点を当て、それぞれに固有の癖や機能を調査する傾向があります。しかし、電磁波であろうとなかろうと、すべての波は同じ特性を共有しています。波は、特定の高さ (振幅)、振動速度 (周波数)、およびピーク間の距離 (波長) を持つ繰り返しパターンで構成されています。これらの性質は、レーザー光線、放送の音声、風が吹く湖、またはバイオリンの弦を定義できます。

私は知識には限界がないことを常に知っていました。研究分野には境界がありますが、それは人為的なものです。さまざまな分野にまたがって働くことができます。ネーダー・エンゲタ氏、ペン工学部教授、2023 年フランクリン・メダル受賞者

エンゲタは、自分の好奇心の範囲を単一の研究分野に限定するタイプの学者ではありませんでした。彼は波に興味があり、波の挙動を決定する物理学と、それらの法則の境界を押し広げる実験技術にも同様に興味を持っています。

そこで、視覚の生理学を研究している数理心理学者のエドワード・ピュー氏が、ミドリマンボウには水中を見るという進化上の利点があるかもしれないと説明したとき、エンゲタ氏は耳を傾けた。

すぐに、ペンシルバニア大学の 2 人の教授は、緑色のマンボウの網膜の顕微鏡画像をじっくりと観察しました。

この魚の目には、偏光、つまり均一な方向に振動する光波を知覚するように構造化された光受容体が含まれています。人間の目にはそのような構造が含まれておらず、通常の太陽光のように複数の平面にわたって振動する光波と、硬い表面で反射した後の太陽光のように単一平面内をきちんと進む光を区別することができません。私たちにとって、この魚の汽水域の水中環境はあまりにも濁っていてぼやけていて、視覚で移動することはできません。しかし、一部の海洋生物は、危険から逃れ栄養を得るために自らを操縦するために、私たちには見えない偏光を利用している可能性があります。

視覚科学者であるピューは、光学について疑問を抱いていました。これらの光受容体は偏光保存光ファイバーのように機能しますか? ラジオアンテナの専門家であるエンゲタ氏は、細胞生物学に答えを求めて詳しく調べました。

30 年後の 2023 年、フランクリン研究所はエンゲタに、科学と技術の業績に対する世界で最も権威ある表彰の 1 つであるベンジャミンフランクリンメダルを授与しました。電気工学の受賞者であるエンゲタ氏は、「前例のない方法で電磁波と相互作用する新しい材料の工学における変革的イノベーションに対して」栄誉を獲得しました。

この短い引用は、エンゲタがマンボウの研究をしていた当時、彼にとって目前に迫っていた比類のない科学的貢献の洪水を示しています。その後数年間にわたり、彼とピューは「生物からインスピレーションを得た偏光イメージング」と呼ばれる新しい分野を確立し、魚のように見えるカメラを設計、構築しました。このカメラは非常に細かく調整されており、鮮明な水中の景色だけでなく、詳細な映像も捉えることができます。ガラス製品の表面についた指紋。 21世紀が近づくにつれてエンゲタが続けていく研究は、まったく異なる方向を向いており、いくつかの主要な新しい研究分野の基礎となることが判明した。

マンボウのエピソードは、テクノロジーの驚くべき進歩というだけでなく、エンヘタのユニークな成功の重要な要素、つまりインスピレーションへの寛容さ、技術スキルの妙技、コラボレーションのコツ、規律の限界を無視することを示しています。それはまた、彼の光への道への決定的な一歩でもあります。

トランジスタラジオは彼の兄のもので、彼は部品から組み立てていました。

「イランで育った子供の頃、私は物事がどのように機能するかについて常に興味を持っていました」とエンゲタは言います。「このラジオのようなものを見たことがなかったので、何も接続せずにどのように機能するのかを知る必要がありました。」

電磁波と機械波が電子信号に変換されてポータブル音楽がどのようにして生まれたのかについての兄の説明により、数年後に彼はテヘラン大学に進学し、そこで最高の成績で電気工学の学位を取得し、その後卒業のために米国に渡った。仕事。

ネーダーの彼の分野への貢献は、一人の人間からはあまり見られないほどの広さと影響力を持っています。ビジェイ・クマール氏、ペン・エンジニアリングのネミロフスキー・ファミリー学部長

このラジオの起源の物語は、単なるラジオの起源の物語であるように思われるかもしれません。

しかし、ラジオはバックグラウンドノイズです。この瞬間は、より多くのことを学ぶことに関しては厳格な目的意識を持ち、世界に多読される性格を示しています。

エンゲタの光学分野へのキャリアを決定づける影響は、彼のラジオ分野での経歴にもかかわらず生じたものではなく、ラジオ関連で生じたものであり、電磁スペクトルの一方の側からもう一方の側への専門的な飛躍は、彼の科学的アプローチの精神と完全に一致していました。

ペンシルバニア大学のエンゲタ研究室で博士研究員として 3 年間過ごした、UCLA の機械および航空宇宙工学の助教授、アルトゥール・ダヴォヤンは、エンゲタと対象分野の専門知識との関係は目的ではなく手段であると説明します。

「ネーダーは驚くほど多くの話題の権威です」とダヴォヤンは言う。「彼は科学についての視点を与えることにおいて非常に機敏で、どんな問題についても新たな視点を持ちたいときに頼りになる人です。それは、彼のモチベーションが単にその分野をマスターすることではないからです。彼の最終的な目標は、独特の創造性を満たすことです。」彼は生まれつきの才能であり、彼の科学への最大の貢献は、好奇心と喜びという同じ場所からどのように行動するかを周囲の人々に示したことでした。光を調整するための材料の理論化と設計を始めたとき、彼は成長しました。光は運動するのに最適な遊び場だったからです。この考え方を最大限に活用してください。」

「知識には限界がないことを私はいつも知っていました」とエンゲタは言います。「研究分野には境界がありますが、それは人工的なものです。異なる分野を越えて研究することができます。」

彼は立ち止まり、数秒間考えました。笑顔。

「実際、イノベーションは分野間の境界点で起こることがよくあります。これらの分野には異なる言語や優先順位があるかもしれませんが、見方を知っていれば見つけられる興味深い共通点もあります。」

見方を知ることは一つのことです。 2 つの異なる科学形式を理解し、それらの間でコミュニケーションをとることは別のことです。エンゲタはおそらく、エレクトロニクスと光学という、アプローチにおいて異質なため、別の惑星に存在するかも知れない 2 つの分野を結びつける独創的な研究で最も有名です。

2000 年代初頭、ナノテクノロジーが本格的に発展し始めたとき、科学者は原子レベルでパターンを制御して作製できるようになり、光の研究者はナノスケールで構造を形成することで光を操作する方法を模索していました。視覚システムの光学系への怪しい進出を終えたばかりのエンヘタは、ナノテクノロジーを活用して、無線周波数の概念に関する専門知識を可視光に適用できることに気づきました。

「メタマテリアル」と呼ばれる急成長している研究分野の開発と拡大に役立つ研究で、エンゲタ氏は、強い光散乱特性を持つ小さな金属粒子をナノスケールで材料に導入した。

彼はそれをアンテナと呼びました。

エンジニアたちは、ラジオと光科学の間で通信するために Engheta が開発したクロスオーバー言語を、「エレガント」、「美しい」、「驚くべき」という敬意を込めた美的用語で常に説明しています。この金属ナノ粒子の彼の分析は、この金属ナノ粒子を古典的な回路の類似物として想像し、その光散乱特性と、エレクトロニクスの基礎である抵抗器、インダクター、およびコンデンサーの機能との類似点を描きました。

ヴィラノバ大学の電気・コンピュータ工学教授であり、エンヘタ氏のフランクリン・メダルの筆頭スポンサーでもあるアフマド・ホールファール氏は、この研究の影響を強調する。

「光周波数で回路素子を作成できるということは、人間がエレクトロニクス分野で過去 50 年から 70 年にわたって行ってきたすべての設計が、突然光学分野で利用可能になったことを意味します。この研究により、豊富なリソースを提供する橋が架けられました」と彼は説明します。 . これは、光学科学を簡素化し、改善した素晴らしいアイデアです。」

スタンフォード大学材料科学工学部教授であり、エンゲタ氏と頻繁に共同研究を行っているマーク・ブロンゲルスマ氏は、エンゲタ氏の学際的なアプローチの重要性を認めています。

「ネーダー氏は、アンテナが無線周波数領域でどのように機能するかを知っていました。そして、光を操作するためにこれらの金属構造を設計する方法について、別の信じられないほど印象的な視点を提供することができました。」とブロンゲルスマ氏は述べています。

この異なる視点は、単一の極小粒子の包含に限定されませんでした。エンゲタ氏は、これらの粒子をさらに追加すること、またはこれらの粒子の配列全体を追加することを構想しました。今日、これらは「メタサーフェス」と呼ばれ、光の伝播方法を散乱させて変化させる、人工的に混合および変更された二次元構造です。

ペン氏のフランクリン賞受賞者の豊かな歴史には、それぞれの分野で画期的な貢献を果たした著名な研究者が含まれています。受賞者には、カタリン・カリコとドリュー・ワイズマン (2022 年)、ダグ・ウォレス (2017 年)、チャールズ・ケインとユージン・メレ (2015 年)、ウィリアム・ラボフ (2013 年)、ピーター・ノーウェル (2010 年)、ルゼナ・ベイシー (2009 年)、アラヴィンド・ジョシ (2005 年) が含まれます。 )、ロバート・ニューナム (2004)、ロビン・ホックシュトラッサー (2003)、ラルフ・ブリンスターとシリキ・クマニカ (1997)、アラン・マクダーミッド (1993)、イーライ・バースタイン (1979)、ミルドレッド・コーン (1975)、ブリットン・チャンス (1966)、エズラ・クレンデル（1960年）。

研究者やイノベーターの集団からの貢献は、mRNA テクノロジーからトポロジー研究、社会言語学、がん遺伝学、ロボット工学など多岐にわたります。これらの傑出した受賞者は、革新的な研究と科学的卓越性に対するペンの永続的な献身を体現しています。

「これによって、私たちは光を操縦することができ、光の焦点を合わせることができます。光操作科学は、太陽エネルギーハーベスターからセンサー、テレビや拡張現実デバイスのビジュアルディスプレイに至るまで、私たちの周りの非常に多くの重要なテクノロジーに影響を与えています。これらは、ナノスケールで光を調整する私たちの能力によって制限されています。メタマテリアルは、主にネーダーのおかげで、その能力を進歩させています。」

今日、メタマテリアルの「父」として認められているエンゲタは、この複雑な研究分野を彼の特徴的な明晰さで定義しています。

「周期表を構成する物質はすべて、従来の方法で光と相互作用します」と彼は言います。「メタマテリアルのアイデアは、光で型破りなことを行うマテリアルを作ることです。」

簡単に言うと、メタマテリアルは、別の材料を正確に成形することによって、ある材料の電磁特性を変化させます。主材料の特性、介在物の特性、そして何よりも導入された形状という 3 つの要素すべてが重要です。

「驚くべきことは、結果として得られるメタマテリアルの電磁特性が、それを構成するものとはまったく異なる可能性があることです」とエンゲタ氏は言います。

メタマテリアルは、それぞれの部分を合計したものよりも大きく、エンゲタのエンジニアリングへのアプローチに端的な寓意を提供します。異なる視点が、思慮深く練り上げられ、組み合わされて、それぞれが個別に想像していたよりも価値のある成果を生み出します。

期待される答えよりも、聞かれた質問に焦点を当てることは、科学における創造性の珍しい形です。

エンゲタは、特に 2 つの質問をすることで知られています。「なぜそうではないのですか？」

これらの質問は、研究と同様に教育にも熱心に取り組んでいる科学哲学を表しています。

「ネーダー氏の分野への貢献は、一人の人間ではなかなか見られない広さと影響力を持っています」とペン・エンジニアリング社ネミロフスキー・ファミリー学部長のビジェイ・クマール氏は言う。「彼は私たちの学部の中で最も親切で最も魅力的な教師であり、思いやりのあるメンターの一人でもあります。」

自分の研究室を率いるようになる前に彼と一緒に訓練を受けた世代のエンジニアはこれを肯定し、彼の協力的で既成概念にとらわれない考え方の影響を強調しています。

「私がペン・エンジニアリング社を選んだのは、ネイダー氏の科学へのアプローチのためです」とダヴォヤン氏は言う。「彼は予期せぬ角度から問題を考察します。彼は誰も行っていない調査を見つけます。私は光学とメタマテリアルにも取り組んでおり、彼はこの分野では有名な人物でした。しかし、もし彼が全く別の分野で働いていたとしても、私は今でもそう思います」彼から学びに来ただろうね。」

ノースカロライナ大学シャーロット校の電気工学およびコンピュータ工学の助教授であり、エンゲタ氏のペンシルバニア大学の元博士研究員の一人でもあるマリオ・メンカリ氏は、理解に対する彼の並外れた取り組みを強調する。

「彼は深く掘り下げるのが好きだ」とメンカリは言う。「私たちは新しいテクノロジーを構築し、その機能を向上させてきましたが、それだけでは決して十分ではありませんでした。私たちは、何が起こっているのか背後にある物理学も理解する必要がありました。私はそこから多くのことを学びました。時には、問題を単純化するために、道に迷いそうになることもありました。「その背後にある物理法則をある程度まで識別することができました。そのレベルの深さに到達すると、実際に構築できるようになります。」

エンゲタの方向性は、厳密さへの特異なこだわりというよりも、彼の英雄であるニコラ・テスラの方向性を反映しています。理論物理学者である彼は、科学者と技術者の標準的な区別を拒否し、技術者としてこの仕事に取り組んでいます。前者は基本的な自然法則の研究者であり、後者は自然の制約に最適化された技術の構築者です。エンゲタは、科学的に可能なことの限界を押し広げる大胆な理論的介入と、世界の新しい理解を実現するツールで名を残しました。

フィンランドのタンペレ大学の実験光学およびフォトニクスの教授であるフメイラ・カグラヤン氏は、エンゲタ氏との博士研究員の研究をまさにこのような言葉で振り返っています。

「物理学者として、私たちは常に物事がどのように機能するかを理解しようとしています」とCaglayan氏は言います。「しかし、時には、そのままにしておくだけで十分な場合もあります。しかし、ネーダー氏は常に、この取り組みを、私たちが生きている間に使用できるテクノロジーにつながるものとして組み立てたいと考えています。それは非常にユニークです。」

ニューヨーク市立大学の高名教授、ニューヨーク市立大学大学院センターのアインシュタイン物理学教授、ニューヨーク市先端科学研究センター創設所長であるアンドレア・アル氏は、客員学生として学部時代から一貫してエンゲタ氏と共著を発表している。ペンで。

「私たちは二人とも好奇心そのものを楽しんでいるので、うまく協力しています」とアルさんは言います。「結果だけでは十分ではありません。本当に何かを理解するまでは満足しません。ネーダーは非常に明晰な弟子であり、私はそれを彼から学びました。人々はネーダーの論文を読むと興奮し、そこから本当に多くのことを吸収します」。」

USC の電気工学およびコンピュータ工学の著名な教授であり、光科学の専門家でもあるアラン・ウィルナー氏もこれに同意します。

「ネーダーと話すたびに、たくさんの新しいアイデアが飛び交い、頭がうずきます。そして、彼の聡明さは共感力と切り離せません。彼は物事を最も根本的な問題に要約します。温かさ、優しさ、そして励ましを持って、彼は巧みに説明することができます」」

「『クレイジーなほど優れている』と彼は言います」とメンカリは笑うイノベーションと真のつながりのバランスをとることによって、エンヘタのキャリアは彼の会話と同様、予測可能な道をたどることができない。

「彼の『ついで』は有名です」とブロンゲルスマは言う。「あなたが彼に質問すると、彼は答え始めますが、彼が答え終わる前に、『ところで』と言うと、別の次元が動き出します。5分ほどで、あなたは」元の会話に戻りますが、すべてがきちんと対処されて解決されるまでに、1 つまたは複数の「ついでに」が発生する可能性があります。」

これは、物事の核心に迫ることに興味がある人の文法です。そして、エンゲタの科学では、心臓には二重の意味があります。

彼のメンティーや同僚たちは、彼の個人的な気遣いや、自分たちにインスピレーションを与えている科学について自由に考えるようにという職業上の励ましについて、同様の情熱を持って語ります。生まれたばかりの赤ちゃんへの贈り物には数学的なジレンマが入り混じり、実験計画の進歩とともに友人や家族についての問い合わせも自由に行われます。

エンゲタの研究は引き続きインスピレーションを与え、限界を押し広げます。彼は現在、アナログコンピュータのハードウェアとして機能するメタマテリアルを開発中です。アナログコンピュータは、いつかデジタル革命の速度とエネルギー効率の上限を打ち破る可能性をすでに示しています。彼の好奇心は、ほとんど不可能だと考えられていた物理学を利用したデバイスを生み出しました。金属と半導体の組み合わせは、互いの光散乱を打ち消し合い、一種の透明マントとして機能します。彼が設立した「イプシロンニアゼロメタマテリアル」として知られる分野は、離れた 2 点間で光波を 1 つとして動作するように引き伸ばし、驚くべき同時性を実現するツールを提供します。

彼の仕事が最高レベルで称賛され続けているにもかかわらず、エンヘタは好奇心旺盛で周囲の人々すべてに感謝しているという評判を維持しており、マンボウが彼のデスクを横切った日と同じように、今日でも常識外の質問に対してオープンです。

「誰もが貢献できることを持っています。あらゆる質問を歓迎します。」と彼は言います。

アンドレア・アルは、ニューヨーク市立大学の高名教授であり、ニューヨーク州立大学大学院センターのアインシュタイン物理学教授であり、ニューヨーク州立大学先端科学研究センターの創設ディレクターでもあります。彼は 2002 年にペンシルベニア大学の客員学部生でした。イタリアのローマトレ大学での博士論文はエンゲタ氏の共同指導を受け、2007 年から 2008 年まで電気システム工学科のエンゲタ氏のグループの博士研究員を務めました。

Mark Brongersma は、スタンフォード大学材料科学工学部および応用物理学のスティーブン・ハリス教授です。

Humeyra Caglayan は、タンペレ大学の実験光学およびフォトニクスの教授です。彼女は、2011 年から 2013 年まで、ペンエンジニアリングの電気およびシステム工学科の博士研究員を務めました。

Artur Davoyan は、UCLA の機械および航空宇宙工学の助教授です。彼は、2012 年から 2015 年まで、ペンシルベニア大学工学応用科学部電気システム工学科の博士研究員を務めました。

ネーダー・エンヘタ氏は、ペン・エンジニアリング大学の電気・システム工学科の H. ネドウィル・ラムジー教授であり、芸術科学部の生物工学、材料科学および工学、および物理学および天文学の部門で副任を受けています。

アフマド・ホールファールは電気工学およびコンピュータ工学の教授であり、ヴィラノバ大学アンテナ研究所の創設者兼所長です。

Vijay Kumar は、ネミロフスキー家のペンシルベニア工学学部長であり、機械工学および応用力学学部の教授であり、電気およびシステム工学部およびコンピュータおよび情報科学部で副任されています。

マリオ・メンカリは、ノースカロライナ大学シャーロット校の電気工学およびコンピューター工学の助教授です。彼は、2017 年から 2019 年まで、ペンシルバニア大学電気システム工学部の博士研究員を務めました。

アラン・ウィルナーは、電気工学およびコンピュータ工学の著名な教授であり、USC のアンドリュー & エルナ・ヴィタビ教授教授です。

ペンとフランクリン・メダル