Theoretical study of topological photonics based on ordered structures of chiral liquid crystals
| Project/Area Number |
23K20831
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| Project/Area Number (Other) |
21H01049 (2021-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
福田 順一 九州大学, 理学研究院, 教授 (90392654)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥15,990,000 (Direct Cost: ¥12,300,000、Indirect Cost: ¥3,690,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
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| Keywords | キラル液晶 / トポロジカルフォトニクス / スカーミオン / コレステリックブルー相 / 秩序構造 / キラリティ / 液晶 / タイトバインディング模型 / 光学計算 |
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| Outline of Research at the Start |
鏡映対称性の欠如したキラル液晶は，様々な周期的秩序構造を自発的に形成する．本研究では，光の分散関係のバンド構造のトポロジーに由来する光学的性質(トポロジカルフォトニクス)を，キラル液晶の秩序構造が示す可能性について，理論的研究を行う．可視光領域でそのような光学的性質を示し，電場などの外場によって容易に性質を制御でき，かつ鏡映対称性の欠如による強い円偏光選択性を有する光学材料の理論的提案を行う．
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度に行なった，キラル液晶が形成する擬2次元スカーミオン（渦状の配向秩序構造）からなるヘキサゴナル格子と同じ対称性を有するモデル構造について，その光学的性質の検討をさらに発展させた．具体的には，より単純かつ本質を捉えたタイトバインディング模型を構築し，バンドトポロジーの性質の解明や，バンドトポロジーの異なる構造の境界でのエネルギー輸送におけるキラリティの存在の影響などに対する考察を行なった．また，キラル液晶の擬2次元スカーミオン格子のフォトニックバンド構造などの検討も，電磁場のマクスウエル方程式を直接的に解くことによって開始し，バンド構造に対する誘電率異方性の変化の影響などを考察した．
また本研究のターゲットの1つである，キラル液晶が示す3次元秩序相であるコレステリックブルー相の秩序構造の詳細について幾つかの検討を行なった．まずブルー相の双晶構造について，昨年度行なった双晶面の自由エネルギー評価に関する論文を公表するとともに，双晶の形成を伴うコレステリックブルー相の構造相転移のダイナミクスについて，液晶の配向秩序変数のダイナミクスを表す方程式を直接的に数値計算で解くことによる検討を開始した．また，有限の厚さの系（液晶セル）において，液晶とセルの表面との相互作用（アンカリング）の影響でセルの厚さ方向の構造の周期が離散的な値しか取れないことを示すとともに，およびその構造の周期と，構造が示す光学的性質に対する印加電場の影響について数値計算を行い，論文として公表した．
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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
キラルな系に対するモデル構築とその検討については順調に進んでいると考えている．またキラル液晶の擬2次元スカーミオン格子についても光学的性質の検討を開始している．
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| Strategy for Future Research Activity |
上述のキラルでヘキサゴナルなモデル2次元構造に関する単純なタイトバインディング模型の性質についての研究を引き続き進める．そこから得られた知見を元に， 最終的なターゲットの1つである，スカーミオン(渦状の配向秩序構造)からなるヘキサゴナル格子を含む液晶の性質について，直接的な光学計算と組み合わせることでより統一的普遍的な理解を試みる.
またもう1つのターゲットであるコレステリックブルー相については，大域的な構造変化を伴わない構造相転移の結果として生じる双晶構造の生成メカニズムについてより詳細な検討を行う．双晶構造の生成ダイナミクスはソフトマターの秩序形成の興味深い例として考察に値するのみならず，双晶面においてはフォトニックバンドの非自明な構造に基づく性質が顕在化する可能性があり，そのような観点からの考察を行う． その他には，まだ検討に至っていない磁性粒子を含むコレステリックブルー相，および分子が磁性を有する液晶系についても，フォトニックバンド構造などの光学的性質の検討を行う． また有限の厚さの系に単色光が入射した際の応答を計算するための手法への改良の可能性を前年度見出したが，詳細な検討が十分に進められていないので，その検討も行う．
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Report
(2 results)
Research Products
(22 results)
