| Project/Area Number |
21H04546
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 21:Electrical and electronic engineering and related fields
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
尾辻 泰一 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (40315172)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
楢原 浩一 神奈川工科大学, 工学部, 教授 (00422171)
吹留 博一 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (10342841)
Maxim・V Ryzhii 会津大学, コンピュータ理工学部, 上級准教授 (50254082)
佐藤 昭 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (70510410)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥42,120,000 (Direct Cost: ¥32,400,000、Indirect Cost: ¥9,720,000)
Fiscal Year 2024: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2023: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2021: ¥16,640,000 (Direct Cost: ¥12,800,000、Indirect Cost: ¥3,840,000)
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| Keywords | グラフェン / ディラックプラズモン / パリティ・時間反転対称性 / テラヘルツ / レーザ |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は，グラフェンディラックプラズモンのパリティ（空間幾何学的）対称性と時間反転対称性をナノ構造と印加電圧によって能動的に制御するという全く新しい物理・原理の導入によって量子効率と高速変調動作の限界を同時に打破し，未踏THz周波数帯で室温動作する高強度・超高速変調型グラフェンプラズモニックレーザトランジスタの実現に挑む．
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| Outline of Annual Research Achievements |
１. GDPメタ表面のPT 対称性のモデル化 （担当：分担者 楢原，佐藤，Ryzhii，代表者 尾辻）
・ADGG構造内のGDPメタ表面を電気格子とみなし，GDP波長に比して十分に短い空間セル分解能でGDP伝搬モード毎に損失・利得特性を等価回路化した散乱行列の多次元化を進めた．代表的なADGG構造・物性パラメータにおいてモード間結合を伴う正常応答を確認した．今後、構築した多次元散乱行列による数値解析法の種々のADGG構造・物性パラメータに対する汎用性を検証してゆく． 更に、上記伝送線路モデルと既開発の電磁界解析ツールを用いてADGG-GDP共振特性（モード周波数，Q値）とPT対称性との相関の解明を進めた，PT対称となる特異点は利得と損失が拮抗する動作点で発現することを確認できた。今後、ADGGの構造・物性パラメータに対する高速利得変調特性の相関と性能限界に対する見通しを得る．
２. ADGG-GFET内GDPの不安定状態におけるミクロスコピックなPT 対称性の解明と，超高速利得変調動作の原理検証 （担当：代表者 尾辻，分担者 吹留，佐藤；研究協力：松田（東大））
・デバイス試作プロセスは，東北大学電気通信研究所附属ナノ・スピン実験施設設備を利用して実施した．（担当：分担者 佐藤，吹留，代表者 尾辻）
・電圧印加状態での非平衡GDPダイナミクスをナノ空間分解能と100フェムト秒の時間分解能で直接観測可能な研究分担者：吹留，松田らが開発したオペランド時間・空間分解X線光電子分光装置を用いて観測する実験を進めた．（担当：分担者 吹留； 研究協力：松田（東大））更に、超高速利得変調動作実験の準備を進めたが、2022.３.１６に発生した宮城県沖地震により研究代表者所有のTHz時間領域分光装置が損壊し中断した．政府補償による代替装置購入の目途が立ち、2023年度には実験再開できる見込みである．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
理由
以下の通り，いずれの研究課題においても計画通りに順調に進展している．
１. GDPメタ表面のPT 対称性のモデル化 （担当：分担者 楢原，佐藤，Ryzhii，代表者 尾辻） ： 計画通りに順調に進展している．
２. ADGG-GFET内GDPの不安定状態におけるミクロスコピックなPT 対称性の解明と，超高速利得変調動作の原理検証 （担当：代表者 尾辻，分担者 吹留，佐藤；
研究協力：松田（東大））： 一部の実験（2022.３.１６に発生した宮城県沖地震で損壊した研究代表者所有THz時間領域分光装置を用いる高速変調動作観測実験）を除いては計画通りに順調に進展している．また、地震により中断した当該実験も2023年度に再開の見通しが得られている．
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| Strategy for Future Research Activity |
１. GDPメタ表面のPT 対称性のモデル化 （担当：分担者 楢原，佐藤，Ryzhii，代表者 尾辻）
・構築した多次元散乱行列による数値解析法の種々のADGG構造・物性パラメータに対する汎用性を検証してゆく．更に、ADGGの構造・物性パラメータに対する高速利得変調特性の相関と性能限界に対する見通しを得る．
２. ADGG-GFET内GDPの不安定状態におけるミクロスコピックなPT 対称性の解明と，超高速利得変調動作の原理検証 （担当：代表者 尾辻，分担者 吹留，佐藤；研究協力：松田（東大））
・ADGG-GFETのPT対称性をゲートおよびドレインバイアスによって電気的に操作し，GDPの利得と共振器端反射係数を高速かつ能動的に変調することによって，レーザ発振の高速ON/OFF制御が可能であることを実証する．実験には、政府調達による補償で2022.3.16の地震で損壊した装置の代替購入の目途が立ったTHz時間・周波数領域分光装置を用いる．
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