2018 Fiscal Year Research-status Report
Investigation on topological photonic effect by semiconductor nanocolumns
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17K19059
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| Research Institution | Sophia University |
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Principal Investigator |
江馬 一弘 上智大学, 理工学部, 教授 (40194021)
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2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | フォトニック効果 / トポロジカルフォトニック / 窒化物半導体 / ナノコラム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年活発に研究されているトポロジカル効果を光で実現し，光デバイス応用の基盤形成が本研究の目的である．連携研究者の胡の計算によれば，蜂の巣状に配列された誘電体の位置を巧みに制御することによって「トポロジカルフォトニック効果」が現れる．この構造の作製には，ナノスケールでの結晶のサイズと配列の制御が必要となる．連携研究者の岸野が開発した窒化物半導体ナノコラムは，まさしくこの条件を満たしている．本萌芽研究の目的は，胡らによって提案されたトポロジカルフォトニック効果を，実際にナノコラムを用いて，実験的に確認することにある．
申請段階での研究計画は以下である．研究の前半で，規則配列ナノコラムの配列ゆらぎの影響を調べ，実際にGaNナノコラムの物性パラメータを用いてトポロジカルフォトニック効果が生じる配置を計算る．後半において，計算された配置を作製し，トポロジカルフォトニック効果を実験的に確認する．
2017年度においては，上記研究計画のうち，「規則配列ナノコラムの配列ゆらぎの影響を調べ」という部分が達成された．規則配列したナノコラムでも，現実には多少の配列ゆらぎを伴う．配列ゆらぎの大きさが，集団応答にどのように影響するのかを，実験的に検証した．InGaN/GaNナノコラム集団を強励起すると，誘導放出現象が観測されるが，ゆらぎが大きくなると，フォトニックレーザーから，ランダムレーザーに移行していく様子が，実験的に確認された．
2018年度はトポロジカルの配列を作成する前に，窒化物半導体ナノコラム自体の光学特性の詳細な研究を行った．GaNナノコラムについては，励起子多体効果について，InGaNナノコラムについては，局在励起子からの発光について，それぞれ詳細に調べ，励起子物性と発光特性の関連を解析した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
申請書に記載した研究項目「１．規則配列ナノコラムの配列ゆらぎの影響を調べる」という部分は達成されたが，本研究のメインテーマであるトポロジカルフォトニックに関しての実験には，2018年度も着手できなかったため，「やや遅れている」という評価に至った．
2017年度のゆらぎに関する研究では，直接トポロジカルフォトニック効果への影響でなく，光学特性に与える影響としてレーザー発振で確認した．ゆらぎが大きくなると，フォトニックレーザーから，ランダムレーザーに移行していく様子が，実験的に確認された．2018年度は実験室の改修工事などの影響もあり，大きな研究の進展は見られなかったが，ナノコラム自体の光学特性に関しては大きな知見が得られた．
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| Strategy for Future Research Activity |
ナノコラム配列のゆらぎの効果，および窒化物半導体ナノコラム自体の光学特性については，概ね目的を達成しているが，トポロジカルフォトニックの実験的な検証は未だ完成していない．期間を1年間延長したが，詳細なトポロジカルフォトニック効果の研究を十分に行うのは困難かもしれない．しかし，少なくとも，GaNナノコラムの物性パラメータを用いてトポロジカルフォトニック効果が生じる配置を計算することは実現させる．
その後，トポロジカルフォトニック効果の実験的な検証を行うための，光学系の確立を目指す．具体的には，計算された配置を実際にGaNナノコラムの集合体で作製し，パルスの伝搬実験を行う予定である．順調に進めば，系統的な実験結果を得ることが期待できる．
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| Causes of Carryover |
2017～2018年度は研究項目の「1．規則配列ナノコラムの配列ゆらぎの影響を調べる」についての実験的研究，およびナノコラム自体の光学特性の研究を実施したが，「トポロジカルフォトニック効果を実験的に確認する」については，計算のみで中断している．2018年度に，実験を実施する計画であったが，実験室の改修工事と重なり，実験を十分に行うことができなかった．そのため，実験系の組立に必要な予算として申請した額が未使用額として残った．期間延長した2019年度に実験を実施するときに使用する予定である．
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