2019 Fiscal Year Research-status Report
光ワイル点に起因するトポロジカルエッジ状態を利用した半導体円偏光発光素子の実現
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18K18857
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
高橋 駿 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 助教 (60731768)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2021-03-31
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| Keywords | トポロジカルフォトニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、半導体カイラルフォトニック結晶を用いて、トポロジカルな性質を有する光ワイル点を形成し、それに付随するトポロジカルエッジ状態を利用して、円偏光発光する光トポロジカル能動素子を実現することを目的としている。2年目であった当該年度では、前年度に設計・作製した、10ミクロン四方のGaAs薄膜16枚からなる半導体カイラルフォトニック結晶に対して、通信波長帯域における波長可変レーザおよび高感度検出器を用いて、角度分解透過スペクトルを測定し、光ワイル点の実験実証を目指した。しかし、微小構造の顕微光学測定では、一般的に試料への入射光の集光や、その応答の局所的な検出が難しい。実際、得られた測定結果には複数の現象が混在しており、光ワイル点を示唆する結果のみを抽出することはできなかった。
そこで、フォトニック結晶におけるスケーリング則を利用して、15cm四方の大きなカイラル構造を用意し、マイクロ波領域における測定を試みた。構造が十分に大きいため、マイクロ波の入射や検出の位置を正確に制御でき、難易度の高い顕微光学測定に対して試験的な実験として適当と考えた。その結果、光ワイル点特有の透過現象を観測することに成功したほか、光ワイル点に起因するトポロジカルエッジ状態の観測にも成功した。マイクロ波領域ではあるものの、本年度の目的の一部が達成されたと言える。これらの成果は国内・国際学会でそれぞれ2件、1件発表し、現在、論文準備中である。
また、通信波長帯域で測定できなかった原因として、カイラル構造の小ささや構造側面の設計に問題があることも判明した。そこで、前年度に引き続き、15ミクロン四方の大きさの試料を試作し、その性能検証として一般的な反射特性を確認した。これは国内・国際学会でそれぞれ1件、2件発表したほか、学術論文も受理された（2020年3月受理、2020年6月出版済）。
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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
当初の予定どおり、前年度に設計・作製した、10ミクロン四方のGaAs薄膜からなる半導体カイラルフォトニック結晶に対して、角度分解透過スペクトルを測定し、光ワイル点の実験実証を目指した。しかし、得られた測定結果には複数の現象が混在しており、光ワイル点を示唆する結果のみを抽出することはできなかった。
そこで、フォトニック結晶におけるスケーリング則を利用して、15cm四方の大きなカイラル構造を用意し、マイクロ波領域における測定を試みた。その結果、光ワイル点特有の透過現象を観測することに成功したほか、光ワイル点に起因するトポロジカルエッジ状態の観測にも成功した。マイクロ波領域ではあるものの、本年度の目的の一部が達成されたと言える。
通信波長帯域で測定できなかった原因として、カイラル構造の小ささや構造側面の設計に問題があることも判明した。そこで、前年度に引き続き、15ミクロン四方の大きさの試料を試作し、これまでと同様の作製手法で15ミクロン四方の構造を作製できることを確認した。トポロジカルエッジ状態の測定に適した側面構造についても再設計し、現在、新たな試料作製に取り組んでいる。
以上の成果から、本研究は当初の研究計画に対しておおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、新たに設計した試料の作製を進め、波長可変レーザおよび高感度検出器を用いて、角度分解透過スペクトルを測定し、得られるバンド構造から光ワイル点の通信波長帯域での実験実証を目指す。その後、量子井戸や量子ドットなどの発光体を導入したカイラルフォトニック結晶を作製し、低温空間分解フォトルミネッセンス測定を行い、発光体からの光が構造側面のトポロジカルエッジモードを伝播することを検出する。また、その伝播光が円偏光であることも調べる。
しかし、昨今の感染症の問題のため、試料作製の際に利用する共用設備（他都道府県への移動が必要）が利用禁止または利用制限されており、試料の完成に大幅な遅延が予想される。
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Research Products
(8 results)
