2011 Fiscal Year Annual Research Report
プラズモン共鳴型光波メタマテリアル表面の創製技術の開発
| Project Area | Electromagnetic Metamaterials |
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| Project/Area Number |
22109007
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
迫田 和彰 独立行政法人物質・材料研究機構, 先端フォトニクス材料ユニット, ユニット長 (90250513)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田丸 博晴 東京大学, 工学系研究科, 講師 (30292767)
岡本 敏弘 徳島大学, ソシオテクノサイエンス研究部, 助教 (60274263)
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| Keywords | メタマテリアル / プラズモン / 共振器 / メタ表面 / 磁気双極子遷移 / 強束縛近似 / ディラックコーン / 近赤外分光 |
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| Research Abstract |
(1)光波領域のメタ表面創製技術の開発:薄膜成長とリソグラフィによる反射型メタ表面作製について,エッチング条件の最適化により高アスペクト比MIM共振器の作製を達成した。反射スペクトル測定で観測された,共振器によるディップの中心波長は数値計算と良く一致し,設計通りの共振器の作製が確認できた。
(2)メタ表面解析技術の開発と試料設計:昨年度までに開発した強束縛近似と群論による解析法を発展させて,金属ユニット構造の規則的配列によるメタマテリアルに適用した。C_<4v>対称な正方格子メタマテリアルについて,E対称なモードとA_1対称なモードの偶然縮退により補助分散面を伴うディラックコーン(等方的で直線的な分散曲線)が生成することを発見した。また,O_h対称な単純立方格子メタマテリアルでは3次元ディラックコーンも生成する。さらに,C_<6v>対称な3角格子メタマテリアルでは補助分散面を伴わないディラックコーンの生成も可能であることを見出した。これらの結果は,従来の実効的屈折率による単純な理論では再現できず,モードの対称性がディラックコーン生成のキーポイントであることが判明した。
(3)磁気双極子遷移の増強効果:MIM共振器中では電磁波閉じ込め効果により,電場に比して磁場強度が極端に大きな領域が実現できる。そこで,磁気双極子遷移の選択的促進効果の実験検証を目指して,Er^<3+>をスパッタリングにより埋め込んだMIM共振器を作製した。発光スペクトル測定でEr^<3+>の磁気双極子遷移による発光が確認できた。今後,蛍光寿命測定で促進効果を検証する。
(4)非線形光学効果の増強:実験検証の第1段階として,金属膜の非線形性を利用した第2高調波発生について,(1)で述べたMIM共振器で予想される高調波発生効率の見積りと位相整合の実現方法について理論的に検討した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初に計画した4項目すべてについて研究が順調に進展したことに加えて,ディラックコーンの生成条件を解明し,具体的な設計指針を確立したことが画期的である。ディラックコーンを利用して,無散乱光導波路や任意サイズ・任意形状のレンズが実現でき,また,素粒子物理学に現れるZitterbewegungの光学的シミュレーションも可能であることから,基礎・応用の両面で今後,大きな発展が期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究は順調に進展しており,当初計画の変更の必要は無い。他方,当初計画には無かったディラックコーンの生成条件の発見を具体的な応用研究につなげるため,数値計算によるデバイス設計などにいっそう注力することが望ましい。そのための施策(研究補助者の新規雇用や計算資源の拡充など)について今後,検討する。
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