2018 Fiscal Year Annual Research Report
Verification of enlarged concept of metamaterials by plasma composites
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18H03690
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| Research Institution | The University of Shiga Prefecture |
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Principal Investigator |
酒井 道 滋賀県立大学, 工学部, 教授 (30362445)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
新戸 浩幸 福岡大学, 工学部, 教授 (80324656)
玉山 泰宏 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (50707312)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | プラズマ / メタマテリアル / マイクロ波 / 赤外材料・素子 / 微粒子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、プラズマ複合構造体“メタプラズマ”のマルチスケール性・超広帯域周波数分散特性を基に、その高エネルギー性から生じる新奇物理を明らかにすることを目的としている。すなわち、プラズマ複合構造体は、構成要素であるメタマテリアルの効果により伝搬電磁波のエネルギー密度より数桁高い値を持つため、エネルギー平衡・エネルギー変換・非線形現象に特異性を備える。この性質に基づき、物理・工学の両面から“パワー・メタマテリアル”分野を確立するため、実験・理論の両面で研究を遂行した。
本年度の具体的な研究実績は以下の通りである。マイクロ波帯での検討においては、信号発生器の変調によりAM変調出力を実現し、それによる実験観測を行った。負透磁率メタマテリアルへ高出力のAM変調マイクロ波を入射すると、理論的に得られている誘電率分岐特性が１ショットで観測可能となり、動的負屈折率状態のリアルタイム可視化が実現した。さらに、プラズマ生成条件の変化により、DSRRパターンに対するプラズマのパラメータの空間構造形成の観測にも成功した。並行して、EIT様メタマテリアルの実験に関しても同様の可変電力実験を行い、プラズマ生成の効果を線形特性で近似して解析しつつ、投入電力依存性について詳細に検討した。赤外光領域での検討については、広帯域赤外光スペクトル観測と電磁波シミュレーションおよび粒子構造のネットワーク解析により、フラクタル様の特徴的な構造による共鳴効果とその発生場所の特定に成功した。粒子モデルコード開発としては、これまでに我々が開発済みのFDTD法コードを基にして、粒子モデルコードを試作し、基本的な動作確認（粒子運動の解析、電磁波応答の導入、負屈折状態の検出）を行った。そして、プラズマの高密度化により、負透磁率状態との組み合わせにより、負屈折率状態が計算機内でも再現できることを確認した。
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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
平成３０年度の研究実施計画に掲げていた、項目はすべて達成しており、さらに新規の成果を得ることができた。プラズマ・メタマテリアルが備える高エネルギー性に関わる成果が期待通りに得られるとともに、計画していなかった成果も多く確認され、研究を一層加速している。
特に、今年度の検討における大きな追加の成果として、プラズマ生成電力と伝搬電磁波の電力の分離により、明確な負屈折率現象を観測できたことが挙げられる。プラズマ生成を空間にわたって均一化し、負の透磁率メタマテリアルとの融合にも成功し、負の屈折率状態の確認は透過波の位相情報から明確となった。これはスタンフォード大のグループとの共同研究により実施し、我々の研究レベルに関する国際的な評価を確立することにもつながった。また、2000年代に理論的に提案されたプラズモニック・クローキング現象の実験的な実証を、実際の負の誘電率体であるプラズマ層を用いて世界で初めて実施し、これまで知られていた理論（トンクス・ダットナー共鳴）との融合モデルの提案も行った。
以上の成果を統合して、パワー・メタマテリアル分野の創製に向け、種々の形態で多くの可能性が期待できるものとなった。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究計画の変更は無く、交付申請書に記載の内容を遂行するとともに、より発展的な研究展開を行う。
特に、検討内容として、高エネルギーマイクロ波に対する制御デバイスとしての有用性を確認するため、クローキング層の設計・実験的実証が大きなポイントとなる。すでに、これまでにプラズマ・メタマテリアルによるクローキング層の設計は終えており、今後それに基づいた実験を開始する。先行したプラズモニック・クローキング実験と合わせて、マイクロ波のエネルギー上昇による非線形効果に留意し、またそこから現れる新たな伝搬現象に注目する。
また、荷電微粒子を用いた光制御の実験においては、レイリー散乱現象とミー散乱現象をまたいだパラメータ領域の包括的な理解とメタマテリアル効果を用いた応用を目指す。
これらの成果は、まず2019年5月に研究代表者が実行委員長を務める国際会議（10th International Workshop on Microplasmas）において、サテライトワークショップを主宰して世界に発信しつつ、世界的な研究動向の中での位置付けを明確にする。
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