テラヘルツ波メタマテリアルにおける表面波の特異な分散特性と機能

• Project Area: Electromagnetic Metamaterials
• Project/Area Number: 23109508
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 高原 淳一 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90273606)
• Project Period (FY): 2011-04-01 – 2013-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2012)
• Budget Amount: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2012: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2011: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: 表面波 / プラズモニクス / 左手系媒質 / メタマテリアル / メタ表面 / テラヘルツ波 / スローライト

Outline of Annual Research Achievements

本研究はメタマテリアルによって構成される左手系媒質（Left-Handed Material: LHM）と様々な光学媒質との界面に存在する表面波の特性を理論的に解析し、それをもとに新しい原理のテラヘルツデバイスを提案することを目的とする。
本研究では、異方性負誘電率および異方性負透磁率をもつような一般的なLHMと誘電体との界面における表面波について、TM（Transverse Magneticfield）波またはTE（Transverse Electricfield）波に対する分散関係式を導出し、その解析解を求め、それぞれ表面波が存在するための条件式を解析的に導出した。これは場の縦成分に対しても、誘電率や透磁率が負の値をとる点が、従来のTEM波に対するLHMの研究とは本質的に異なる。その結果、条件式は２つあることがわかり、具体的なメタ原子の構造を決める場合の設計指針を得ることができた。この条件から誘電率や透磁率の負の絶対値を大きくしなくても存在条件を満たせることがわかったので、実験を行うことが容易になる。
次に、典型的なメタ原子として良く知られる分割リング共振器と細線を用いた具体的なメタ表面を提案した。TM波またはTE波のどちらか一方の表面波が伝搬し得るメタ表面の構造は自明であるが、この自明なメタ表面を積層して方形メタマテリアル導波路とする構造を提案した。この方形導波路では、TM・TE波が導波路の各面を交互に伝搬できる。このようなメタマテリアルを実際に３次元で作製するのは非常に難しいので、これを平面プロセスの積層で実現するための構造を提案した。

Research Progress Status

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

24年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Colloidal quantum dot-based plasmon emitters with planar integration and long-range guiding (2013)
  • Author(s): M. Miyata and J. Takahara
  • Journal Title: Optics Express Volume: Vol. 21, No. 7 Issue: 7 Pages: 7882-7890
  • DOI: 10.1364/oe.21.007882
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Excitation control of long-range surface plasmons by two incident beams (2012)
  • Author(s): M. Miyata
  • Journal Title: Optics Express Volume: 20 Issue: 9 Pages: 9493-9500
  • DOI: 10.1364/oe.20.009493
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spectral Control of Thermal Radiation by Metasurface with Split-Ring Resonator (2012)
  • Author(s): Y. Ueba
  • Journal Title: Appl. Phys. Express Volume: 12 Issue: 12 Pages: 122001-12003
  • DOI: 10.1143/apex.5.122001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 金属ナノスラブ導波路における表面プラズモンの伝送と集束 (2012)
  • Author(s): 高原淳一
  • Journal Title: 表面科学 Volume: 33 Pages: 209-215
  • NAID: 10030569967
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] プラズモニック導波路 (2011)
  • Author(s): 高原淳一
  • Journal Title: 応用物理 Volume: 80(9) Pages: 772-778
  • NAID: 10029468015
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Field enhancement by longitudinal compression of plasmonic slow light (2011)
  • Author(s): M.Miyata, J.Takahara
  • Journal Title: Journal of Applied Physics Volume: 111 Issue: 5
  • DOI: 10.1063/1.3691227
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Narrow-band Thermal Radiation by Metal Metasurface (2013)
  • Author(s): J. Takahara
  • Organizer: Progress in Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2013)
  • Place of Presentation: Taipei, Taiwan
  • Year and Date: 2013-03-25
  • Invited
• [Presentation] Phase Control of Surface Plasmon Excitation in Metal Slab Waveguides (2013)
  • Author(s): J. Takahara
  • Organizer: 4th International Topical Meeting on Nanophotonics and Metamaterials (NANOMETA 2013)
  • Place of Presentation: Seefeld, Austria
  • Year and Date: 2013-01-03
  • Invited
• [Presentation] Thermal Radiation Control by Metasurface (2012)
  • Author(s): J. Takahara
  • Organizer: 8th Handai Nanoscience and Nanotechnology International Symposium
  • Place of Presentation: Osaka
  • Year and Date: 2012-12-10
  • Invited
• [Presentation] ナノプラズモニクス (2012)
  • Author(s): 高原淳一
  • Organizer: 応用物理学会北陸・信越支部講演会
  • Place of Presentation: 福井大学
  • Year and Date: 2012-12-05
  • Invited
• [Presentation] Introduction of Plasmonics and Application to Optical Integrated Circuits (2012)
  • Author(s): J. Takahara
  • Organizer: 2012 International Scientific Instrument Technology Workshop
  • Place of Presentation: Hsinchu, Taiwan
  • Year and Date: 2012-10-24
  • Invited
• [Presentation] 金属ナノスラブ導波路におけるスーパーロングレンジモードの伝送 (2012)
  • Author(s): 高原淳一
  • Organizer: 第73回応用物理学会学術講演講演会
  • Place of Presentation: 愛媛大学
  • Year and Date: 2012-09-14
• [Presentation] 二入力光による長距離伝搬表面プラズモンポラリトンの励起制御 (2012)
  • Author(s): 宮田将司
  • Organizer: 第59回応用物理学関係連合講演会
  • Place of Presentation: 早稲田大学(東京都)
  • Year and Date: 2012-03-18
• [Presentation] テラヘルツ領域へのプラズモニクスの拡張方法と電場増強効果 (2012)
  • Author(s): 高原淳一
  • Organizer: 第9回プラズモニクスシンポジウム
  • Place of Presentation: 九州大学(福岡県)
  • Year and Date: 2012-01-23
• [Presentation] Lateral Superfocusing of Surface Plasmon Polariton in Symmetric Slab Plasmonic Waveguides (2012)
  • Author(s): J.Takahara
  • Organizer: 2012 Taiwan-Japan Nanophotonics and Plasmonic Metamaterials Workshop
  • Place of Presentation: 国立台湾大学(台北、台湾)(招待講演)
  • Year and Date: 2012-01-11
• [Presentation] Basic Nanoplasmonics and Application to Nano-Optical Circuits (2011)
  • Author(s): J.Takahara
  • Organizer: 2011 International Scientific Instrument Technology Workshop
  • Place of Presentation: ITRC(新竹、台湾)(招待講演)
  • Year and Date: 2011-10-27
• [Presentation] Plasmonic Devices in the Visible-Terahertz Region (2011)
  • Author(s): M.Miyata
  • Organizer: The 6th Photonics Center Symposium : Nanophotonics in Asia 2011
  • Place of Presentation: 志摩観光ホテル(三重県)
  • Year and Date: 2011-09-20
• [Presentation] アンテナ結合を用いた対称構造導波路プラズモニック電気光学デバイスの解析 (2011)
  • Author(s): 尾崎常祐
  • Organizer: 第72回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 山形大学(山形県)
  • Year and Date: 2011-09-01
• [Presentation] 長距離伝搬表面プラズモンを用いて励起したプラズモニック・スローライトによるエネルギー圧縮 (2011)
  • Author(s): 宮田将司
  • Organizer: 第72回応用物理学会学術講演会
  • Place of Presentation: 山形大学(山形県)
  • Year and Date: 2011-08-30
• [Presentation] Plasmonic slow light in metal film waveguides (2011)
  • Author(s): M.Miyata
  • Organizer: The 1st Korea-Japan Metamaterials Forum 2011
  • Place of Presentation: Ewha Womans University(ソウル、韓国)
  • Year and Date: 2011-07-08
• [Presentation] Plasmonic slow light in negative dielectric film (2011)
  • Author(s): M.Miyata
  • Organizer: The 5th International Conference on Surface Plasmon Photonics (SPP5)
  • Place of Presentation: BEXCO(釜山、韓国)
  • Year and Date: 2011-05-19
• [Presentation] Analysis of plasmonic waveguides with light-coupling antennas for electro-optic functional device (2011)
  • Author(s): J.Ozaki
  • Organizer: The 5th International Conference on Surface Plasmon Photonics (SPP5)
  • Place of Presentation: BEXCO(釜山、韓国)
  • Year and Date: 2011-05-19
• [Presentation] Negative refraction of slow light in metal film plasmonic waveguides (2011)
  • Author(s): J.Takahara
  • Organizer: The 5th International Conference on Surface Plasmon Photonics (SPP5)
  • Place of Presentation: BEXCO(釜山、韓国)
  • Year and Date: 2011-05-16
• [Book] アクティブ・プラズモニクス (2013)
  • Author(s): 高原淳一（共著）
  • Total Pages: 59
  • Publisher: コロナ社
• [Book] プラズモンナノ材料開発の最前線と応用 (2012)
  • Author(s): 高原淳一（分担）
  • Total Pages: 9
  • Publisher: シーエムシー出版
• [Book] 光エレクトロニクスとその応用(第7章2.5節プラズモニクス) (2011)
  • Author(s): 高原淳一(分担)
  • Publisher: オーム社