2018 Fiscal Year Research-status Report
近赤外光領域のメタサーフェスにおける波束伝搬のフェムト秒ダイナミクス
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18K03480
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
久保 敦 筑波大学, 数理物質系, 講師 (10500283)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 表面プラズモン / 超高速現象 / ナノ構造 / 顕微鏡 / フェムト秒 / 時間分解 / メタマテリアル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マイクロ波、テラヘルツ波等に比べ高い搬送波周波数を有する近赤外光領域において、外場に対し磁気共鳴を有し、負の誘電率、負の透磁率を同時に発現し得るメタ原子の構造として最も有用なものの一つは、金属-絶縁体-金属積層膜から構成されるMIMナノキャビティである。MIMナノキャビティを基板上に配置することで、巨視的に負の屈折率を有するメタマテリアルやメタ表面が構築される。
H30年度は、メタ原子単体のダイナミクスについての研究を時間領域差分（Finite-difference-time-domain; FDTD）法によるシミュレーションを用いて行った。金（Au）表面にMIMナノキャビティが設置された構造モデルを構築し、広いスペクトル幅を有するフェムト秒表面プラズモン（SP）波束が入射された際の光学応答について調べた。
SP波束の到達に伴い、MIMナノキャビティの絶縁体層には電磁場強度の濃縮が生じ、空間的に強く束縛されたSP固有モードの励起を生じる。束縛された電磁場強度のスペクトルはキャビティの構造長に依存して変化する複数のピークを有し、それぞれのピーク周波数は有限長のMIM型SP導波路におけるファブリー・ペロー共鳴周波数と概ね一致した。さらに、MIMナノキャビティからは透過SPP波束、および、反射SPP波束が生成され、両者の間にはスペクトル領域、時間領域の双方において、強度の相補的な関係が見いだされた。
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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
近赤外領域における特異的な波束伝搬を呈するメタ表面を構築するため、H30年度は試料構造の設計に必要な電磁場シミュレーションを進めた。その結果、当初の想定通り、MIMナノキャビティをビルディングブロックに用いたメタ表面試料において、表面プラズモンの伝搬の可視化が実現しうる可能性が示唆された。MIM単体の光学特性についてはFDTDシミュレーションにより系統的な調査を行い、メタ表面の作製に対する指針を得た。現在までのところ、概ね順調にしているものと評価される。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は引き続き電磁場シミュレーションを用い、SP波束とMIMナノキャビティの相互作用の様相、特にキャビティ単体におけるSP波束の反射率・透過率の構造サイズ依存性について網羅的な調査を行う。高透過率を生じる条件、ならびに、１回のキャビティ透過で誘導される位相変調量の決定、を行っていく。さらに、キャビティをメタ原子に用いたメタ表面の設計を推進する。
尚、作製した試料における表面プラズモン波束の伝搬の可視化は、光源にパルス幅10fs、波長800nmのレーザー、および、パルス幅100fs、波長1550nmのレーザーの、２種類を使用する計画であった。しかし、2019-2020年度に掛け、前者のレーザー装置が設置されている実験棟の耐震改修が行われることになり、この間波長800nmレーザー装置の安定的な運用は見込めない状況となった。この期間においては、波長1550nmレーザー装置を用いた表面プラズモン波束の可視化に注力する。
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