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2012 Fiscal Year Annual Research Report

周期構造を利用した光メタマテリアルの作製と物理

Planned Research

Project AreaElectromagnetic Metamaterials
Project/Area Number 22109005
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

石原 照也  東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (60168250)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 西村 直志  京都大学, 情報学研究科, 教授 (90127118)
冨田 知志  奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 助教 (90360594)
小野田 勝  秋田大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80425727)
澤田 桂  独立行政法人理化学研究所, 放射光科学総合研究センター, 特別研究員 (40462692)
大野 誠吾  東北大学, 高等教育開発推進センター, 助教 (70435634)
中山 和之  福岡大学, 理学部, 助教 (80602721)
Project Period (FY) 2010-06-23 – 2015-03-31
Keywordsメタマテリアル / ベリー位相 / 量子ドット / トポロジー最適化 / 非相反性
Research Abstract

石原、大野、中山:金属微細構造における光整流効果について実験を行い、考察を進めた。準周期金属誘電体多層膜メタマテリアルを作製し、量子ドットの発光寿命が短くなる現象を解析した。テラヘルツ領域において分割チューブ構造を作製し、時間領域分光法により、磁気的な応答を確認した。西村:2重漁網構造のトポロジー最適化に向けた基礎的研究として、ヘルムホルツ方程式に支配される周期層状構造のトポロジー導関数の理論式を導出し、周期高速多重極法を用いた数値計算によりこれを検証した。また光整流問題において横起電力をマックスウェル応力から推定することを試みた。冨田:グルコースとローダミンの2層膜で、可視光域で誘起される円偏光二色性の楕円率が、入射方向に依存して反転することを見出した。この磁気光学効果での非相反性に似た現象を、磁性体を用いずに界面での多重反射で実現する「カイラルメタ界面」は光アイソレータ等への応用が可能である。澤田:結晶における光の伝搬に対して、歪み場がもたらす影響とベリー位相との関連について、理論と実験の両面から研究した。量子ドットを埋め込んだシリコン結晶において、X線が波乗りするように2方向に分かれて横すべりする現象を発見し、理論と良い一致を示した。小野田:周期構造中の光渦および周期構造界面における光エッジモードに関する解析を行うとともに、その知見をもとに今後実現が期待される光トポロジカル絶縁体の特異な表面状態の特性を推測し、それを利用した新奇なトポロジカル光波束の可能性について検討した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

石原、大野、中山:光整流、発光寿命制御、磁気的応答について実験結果が得られた。スパッタ製膜の実時間観測については最初の3層までの解析が可能となった。西村:ヘルムホルツ方程式に支配される周期層状構造のトポロジー導関数の計算においては、理論解と数値計算結果の一致を確認した。また光整流問題においてはマックスウェル応力から推定した横起電力は、これまでの電場強度による計算結果と類似ではあるが、異なっていることを確認した。冨田:メタ分子の研究から出発し、今年度はメタ界面という、これまでにない新しい概念を打ち立てた。様々な可能性を秘めているメタ界面は、まさに計画研究エの目標である「メタマテリアルに特有の新奇な現象」の一例であり、研究計画は順調に進行していると言える。澤田:光の伝搬に対するベリー位相効果の研究として理論と実験とが一致する成果が得られた。さらに、班内および班間の連携として、上田・冨田らとの共同研究において、マイクロ波領域の非相反的屈折現象のための予備実験として、磁気カイラル効果が観測された。小野田:2次元および3次元周期構造中の光渦および2次元周期構造界面における光エッジ状態のエネルギー流分布と伝搬特性について調べ、その知見をもとに光子系版3次元トポロジカル絶縁体ヘリカル表面モードの特性とそれを利用した新奇なトポロジカル光波束の生成について考察し、後者の存在可能性を理論的に示した。。

Strategy for Future Research Activity

石原、大野:非周期のナノポーラスゴールド光整流効果について実験を行う。導波路リソグラフィー法を確立させる。西村:今後トポロジー導関数の計算をマックスウェル方程式に拡張し、さらにはマックスウェル方程式の周期問題におけるトポロジー導関数の2重漁網構造の性能指数(FOM)最大化への適用を検討する。光整流問題においては横起電力に関する理論的考察をさらに深め、適当な時期に論文を執筆する。冨田:これまでのカイラル構造による光学活性の研究を発展させ、澤田(理研)との班内連携、上田(京都工繊大)との班間連携を基に、人工カイラル構造とフェライトを用いたフェリカイラルメタ分子を作製し、光の位相幾何学的効果としての「ローレンツ力」を検証する実験を計画している。澤田:班内・班間の連携研究として、マイクロ波の磁気カイラル効果による光の非相反的屈折現象を検証し、ベリー位相との関連性を調べる。これにより、X線からマイクロ波までの物理を、ベリー位相という概念で理論と実験の両方の側面から結びつけることができる。小野田:光渦・光エッジモードに関する研究を継続するとともに、軌道角運動量を持った光線と同様のボルテックス構造に加え第2のボルテックス構造をもつ前記のトポロジカル光波束の多様性について調べ、誘電体界面における反射・屈折等に対するそれらの安定性について理論的に検証する。

  • Research Products

    (31 results)

All 2013 2012 Other

All Journal Article (11 results) (of which Peer Reviewed: 10 results) Presentation (18 results) (of which Invited: 3 results) Book (1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Chiral meta-interface: Polarity reversal of ellipticity through2013

    • Author(s)
      Satoshi Tomita, Yuuka Kosaka, Hisao Yanagi, Kei Sawada
    • Journal Title

      Physical Review B

      Volume: 87 Pages: 041404(R):1-4

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.87.041404

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Controlling the Propagation of X-ray Waves inside a Heteroepitaxial Crystal Containing Quantum Dots Using Berry's Phase2013

    • Author(s)
      Y. Kohmura, K. Sawada, S. Fukatsu and T. Ishikawa
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 110 Pages: 057402-1-4

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.110.057402

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 光の幾何学的ホール効果 その物理像と展望2013

    • Author(s)
      小野田勝
    • Journal Title

      O plus E

      Volume: 35 Pages: 725-732

  • [Journal Article] Optical rectification effect due to surface plasmon polaritons at normal incidence in a nondiffraction regime.2012

    • Author(s)
      Hiroyuki Kurosawa, Teruya Ishihara, Naoki Ikeda, Daiju Tsuya, Masayuki Ochiai and Yoshimasa Sugimoto
    • Journal Title

      Optics Letters

      Volume: 37 Pages: 2793-2795

    • DOI

      10.1364/OL.37.002793

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Surface plasmon drag effect in a dielectrically modulated metallic thin film.2012

    • Author(s)
      Hiroyuki Kurosawa and Teruya Ishihara
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 20 Pages: 1561-1574

    • DOI

      10.1364/OE.20.001561

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Chiral meta-molecules consisting of gold nanoparticles and2012

    • Author(s)
      Mime Kobayashi, Satoshi Tomita, Kei Sawada, Kiyotaka Shiba, Hisao Yanagi
    • Journal Title

      Optics Express

      Volume: 20 Pages: 24856-24863

    • DOI

      10.1002/pssc.201200266

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Plasmonic circular dichroism using Au fine particles and riboflavin2012

    • Author(s)
      Yuuka Kosaka, Kazutaka Egami, Satoshi Tomita, Hisao Yanagi
    • Journal Title

      physica status solidi (c)

      Volume: 9 Pages: 2529-2532

    • DOI

      10.1002/pssc.201200266

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Implementation of a Unitary Algorithm in the Analysis of Quantum Dynamics at the Interface between a Topological Insulator and a Conductor2012

    • Author(s)
      Masaru Onoda
    • Journal Title

      Porc. of SICE Ann. Conf. 2012

      Volume: - Pages: 376-381

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Spin-dynamics of a Quantum Wave-packet via Helical Edge States and Spin-filter Effect2012

    • Author(s)
      Yukinori Ohmura, Takeo Shimokawa, Shyun Hosaka, Masaru Onoda
    • Journal Title

      Porc. of SICE Ann. Conf. 2012

      Volume: - Pages: 1044-1049

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Numerical Analysis of Spin-filter Effect of Optical Tornados and Chiral Edge States in Two-dimensional Photonic Crystal Waveguides2012

    • Author(s)
      Kohtaroh Hayashi, Tomoya Takemura, Masaru Onoda
    • Journal Title

      Porc. of SICE Ann. Conf. 2012

      Volume: - Pages: 1050-1055

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Temperature-Dependent Magnetotransport around nu=1/2 in ZnO Heterostructures2012

    • Author(s)
      D. Maryenko, J. Falson, Y. Kozuka, A. Tsukazaki, M. Onoda, H. Aoki, M. Kawasaki
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 108 Pages: 186803-1-5

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.108.186803

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Transverse voltage induced by circularly polarized obliquely incident light in plasmonic crystals

    • Author(s)
      T. Ishihara
    • Organizer
      SPIE Optics and Photonics
    • Place of Presentation
      San Diego, CA, USA
    • Invited
  • [Presentation] Electromagnetic response of some natural metamaterials

    • Author(s)
      T. Ishihara
    • Organizer
      Asia Nano
    • Place of Presentation
      Lijiang, Yunnan, China
    • Invited
  • [Presentation] メタマテリアルとしてのナノポーラスゴールド

    • Author(s)
      石原照也
    • Organizer
      日本物理学会
    • Place of Presentation
      横浜国立大学
  • [Presentation] 色素とカイラル分子によるカイラルメタ界面の可視光領域での円偏光二色性

    • Author(s)
      小坂祐香、冨田知志、澤田桂、柳久雄
    • Organizer
      日本物理学会 第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学 東広島キャンパス
  • [Presentation] サブ波長フィボナッチ構造を用いた自然放出増強

    • Author(s)
      森竹勇斗、中山和之、鈴木敏大、黒澤裕之、大野誠吾、児玉俊之、冨田知志、柳久雄、石原照也
    • Organizer
      日本物理学会 第68回年次大会
    • Place of Presentation
      広島大学 東広島キャンパス
  • [Presentation] From chiral meta-molecule to chiral meta-interface

    • Author(s)
      S. Tomita
    • Organizer
      Energy Materials Nanotechnology
    • Place of Presentation
      the Red Rock Resort, Las Vegas, USA
    • Invited
  • [Presentation] Chiral meta-molecules composed of gold nanoparticles and tobacco

    • Author(s)
      Satoshi Tomita, Mime Kobayashi, Kei Sawada, Kiyotaka Shiba, Hisao Yanagi,
    • Organizer
      Metamaterials'2012
    • Place of Presentation
      St. Petersburg, Russia
  • [Presentation] Reversed radiation pressure effect on electrons under

    • Author(s)
      H. Kurosawa and T. Ishihara
    • Organizer
      Metamaterials'2012
    • Place of Presentation
      St. Petersburg, Russia
  • [Presentation] カイラルメタ界面での円偏光二色性(2):理論計算

    • Author(s)
      冨田知志、小坂祐香、柳久雄、澤田桂
    • Organizer
      秋季 第73回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      松山、愛媛.
  • [Presentation] Plasmonic circular dichroism using Au fine particles and riboflavin

    • Author(s)
      Yuuka Kosaka, Kazutaka Egami, Satoshi Tomita, Hisao Yanagi
    • Organizer
      5th International Conference on Optical, Optoelectronic and Photonic Materials and Application
    • Place of Presentation
      Nara, Japan
  • [Presentation] 理論からみた場としての放射光と物質

    • Author(s)
      澤田桂
    • Organizer
      第26回日本放射光学会年会
    • Place of Presentation
      名古屋大学
  • [Presentation] Berry-phase effects on x-ray pulse propagation

    • Author(s)
      Kei Sawada
    • Organizer
      The 5th International Workshop on FEL Science
    • Place of Presentation
      Gyeongju, Korea
  • [Presentation] A perspective on spinning modes in topological photonic media

    • Author(s)
      Masaru Onoda
    • Organizer
      第2回日韓メタマテリアルフォーラム
    • Place of Presentation
      つくば国際会議場
  • [Presentation] フォトニック結晶導波路における光渦の伝播特性に関する数値解析

    • Author(s)
      林孝太郎, 小野田勝
    • Organizer
      平成25年度電気関係学会東北支部連合大会
    • Place of Presentation
      会津大学
  • [Presentation] トポロジカル光波束解の数値的構成法とその特性解析

    • Author(s)
      小野田勝
    • Organizer
      平成25年度電気関係学会東北支部連合大会
    • Place of Presentation
      会津大学
  • [Presentation] カイラルメタ界面:砂糖と色素で磁石をまねる

    • Author(s)
      冨田知志
    • Organizer
      奈良先端未来開拓コロキウム2012
    • Place of Presentation
      奈良先端科学技術大学院大学
  • [Presentation] メタ光学:アナロジーを楽しむ

    • Author(s)
      澤田 桂
    • Organizer
      奈良先端未来開拓コロキウム2012
    • Place of Presentation
      奈良先端科学技術大学院大学
  • [Presentation] メタ光物性

    • Author(s)
      中山 和之、大野 誠吾、黒澤 裕之
    • Organizer
      奈良先端未来開拓コロキウム2012
    • Place of Presentation
      奈良先端科学技術大学院大学
  • [Book] メタマテリアルII2012

    • Author(s)
      石原照也、真田篤志、梶川浩太郎
    • Total Pages
      278
    • Publisher
      .[シーエムシー出版
  • [Remarks] 半導体結晶を通過するX線が2方向に分岐する現象を発見

    • URL

      http://www.riken.go.jp/pr/press/2013/20130131_1/

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Published: 2015-05-28  

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