2017 Fiscal Year Research-status Report
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17K19077
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
高原 淳一 大阪大学, 工学研究科, 教授 (90273606)
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2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | メタマテリアル / プラズモニクス / ハイパボリックメタマテリアル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
誘電体と負誘電体とのハイブリッド多層膜であるハイパボリックメタマテリアル（HMM）中では、光の等波数面は通常の球面ではなく、双曲面となる。双曲面は波数空間でトポロジカルにopenであるから、バルク伝搬波にもかかわらず波数に上限がなく、回折限界の制約を受けない著しい特徴を持つ。本研究ではHMMの光デバイスへの応用に向けた基礎を確立し、ハイパボリック・フォトニクスともよぶべき新分野の基盤の確立を目指している。
本年度ははじめにHMMをコアにもつ平面型光導波路中を伝搬する導波モードの解析を解析理論、数値計算、電磁界シミュレーションを用いて系統的に行った。HMMは有効媒質近似によるマクロな取り扱いがなされてきたが、本研究によりこれまで見落とされていた新しい導波モードの存在が明らかになった。このモードはHMMを構成する各プラズモニック導波路におけるミクロな界分布の対称性を反映したものと解釈できる。HMMのナノ光導波デバイスへの応用においては、このようなミクロな電磁場分布を考慮する必要があることがわかった。
実験面では金（Au）/二酸化シリコン（SiO2）を多層積層することでHMMを実際に作製した。中赤外域における顕微分光測定により、反射率に広帯域な共振ピークを多数観測した。シミュレーションとの比較から、これは外部光によりHMM光導波路の内部に存在する双曲面をもつバルク伝搬波が励起され、光導波路が共振器となるためであることが確認された。このことはHMM光共振器として応用できることを示唆している。また、来年度以降の準備として、顕微鏡用冷却加熱ステージを備品として購入した。金属・絶縁体相転移材料として知られる二酸化バナジウム（VO2）をレーザー蒸着法により作製し、基板温度を変えて媒質の誘電率を正から負へと変化させることに成功した。これによりHMMと誘電体の動的な切り替えが実現できると考えられる。
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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
本研究ではHMMの光デバイスへの応用に向けた基礎を確立し、ハイパボリック・フォトニクスともよぶべき新分野の基盤の確立を目指している。初年度の本年度は、（１）HMM光導波路の導波モードの理論的解明、（２）HMM光導波路の作製と光学特性の計測、および（３）金属・絶縁体相変化材料を用いたHMM光学特性の動的な制御、について研究を行った。
理論面では有効媒質近似のもとで平面対称型HMMコア光導波路（無損失）の特性方程式を導出し、導波モード解析を行った。その結果、コア厚を小さくすると有効屈折率が発散するモードを確認した。有限要素法により数値厳密解を求めたところ、前記モードに加えて有効屈折率がさらに大きなモードが存在し、モードが二系列に分離することを見出した。電磁界シミュレーションの結果、各系列はHMMを微視的にみたときの金属・誘電体界面における界分布の対称性を反映し、長距離伝搬表面プラズモン（LRSP）および短距離伝搬表面プラズモン（SRSP）に対応することがわかった。ナノ光導波路への応用では有効媒質近似を超えてHMMを構成する各層のミクロ構造が無視できないことがわかった。
実験面ではAu/SiO2を多層積層することでHMMを実際に作製した。中赤外域における顕微分光測定により、反射率に広帯域な共振ピークを多数観測した。シミュレーションとの比較から、これは外部光によりHMM光導波路の内部にバルク伝搬波が励起され共振器となっていることが確認された。また、顕微鏡用冷却加熱ステージを備品として購入し、立ち上げを行った。金属・絶縁体相転移材料として知られる二酸化バナジウム（VO2）をレーザー蒸着法により作製し、基板温度を変えて媒質の誘電率を正から負へと変化できることを観測した。これにより来年度以降はHMMと誘電体の動的な切り替えが実現できると考えられる。
以上より、現在までおおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
HMM光導波路の損失を入れた場合の導波モード解析の結果、可視～近赤外域におけるバルク伝搬波の伝送損失が当初の予想以上に大きいことが明らかとなった。損失を低減するために波長域を中赤外に長波長化し、極性半導体において中赤外域に観測される表面フォノンポラリトンによる負誘電体を用いた低損失なHMMの可能性について研究を行う。
実験面では今年度は中赤外域でのHMM光導波路構造の作製と吸収スペクトル測定に成功し、バルク伝搬波が励起され光共振器として動作していることが実験的に確認された。このため当初計画の可視域のバルクナノ光配線への応用という目標を変更し、中赤外域でのバルク波HMM光共振器の応用を目指す。来年度以降はHMM光共振器をアレイ化することによりHMMメタサーフェスを実現する。これにより通常の媒質では実現できない極めて高い有効屈折率を実現できる。また、HMM光共振器は広帯域の光吸収をもつので、完全吸収体や熱輻射エミッターとしても応用できる。
これによりハイパボリック・フォトニクスの理論的および技術的な基盤を確立させる。
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| Causes of Carryover |
（理由）シミュレーションソフトウエアを３０年度の年度当初から継続使用するため。
（使用計画）研究に使用しているシミュレーションソフトウエア（COMSOL）は２９年４月～３０年３月までの年度単位の１年契約となっている。３０年３月末時点での研究費の残額が本ソフトウエアの継続使用の金額であったために、次年度使用額として申請した。支払いは３０年度４月に行う予定である。
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