2020 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 – 2022-03-31
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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。最終年度であった当該年度では、これまでに設計・試作してきた15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、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、新型コロナウイルス（COVID-19）の影響により、試料作製で必須となる大型共用装置（他都道府県への移動が必要）を利用することができず、半導体カイラルフォトニック結晶の作製が十分にできなかった。したがって、本研究目的を達成するためには研究期間を延長せざるを得なかった。
研究活動が制限された中で実施できることを模索し、前年度に作製した15cm四方の大きなカイラル構造を対象として、マイクロ波領域における光ワイル点の測定を行った。その結果、光ワイル点特有の透過現象や光ワイル点に起因するトポロジカルエッジ状態の観測を再現するとともに、そのトポロジカルエッジ状態が円偏光に偏極していることを初めて観測した。フォトニック結晶におけるスケーリング則から、この結果は15ミクロン四方の半導体カイラルフォトニック結晶での顕微光学測定に応用できる。これらの成果は国内学会で3件（内1件は招待講演）発表し、現在、論文査読中である。また、前年度に観測に成功した15ミクロン四方の試料の反射特性について、学術論文を出版した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初の予定どおり、これまでに設計・試作してきた15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、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、新型コロナウイルス（COVID-19）の影響により、試料作製で必須となる大型共用装置（他都道府県への移動が必要）を利用することができず、半導体カイラルフォトニック結晶の作製が十分にできなかった。
一方で、前年度に作製した15cm四方の大きなカイラル構造を対象として、マイクロ波領域における光ワイル点の測定を行い、光ワイル点に起因するトポロジカルエッジ状態の観測を再現するとともに、そのトポロジカルエッジ状態が円偏光に偏極していることを初めて観測した。フォトニック結晶におけるスケーリング則から、この結果は15ミクロン四方の半導体カイラルフォトニック結晶での顕微光学測定に応用できる。
このように研究活動が制限された中で部分的に成果を出すことができたものの、当初に予定した半導体カイラルフォトニック結晶の作製ができなかったことから、本研究は当初の研究計画に対してやや遅れている状況である。したがって、本研究目的を達成するために、研究期間を延長して実施する。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究期間を延長して臨む次年度では、これまでに設計した半導体カイラルフォトニック結晶の作製を完了させ、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によって円偏光を放出することを観測する。しかし、残念ながら次年度も新型コロナウイルス（COVID-19）の影響が継続することが予想され、試料作製の制限が見込まれる。試料作製過程の見直しを行いつつ、可能な限り少ない試行錯誤で研究目的を達せられるように準備を進める。場合によっては、大型共用装置を使用する必要のないマイクロ波を対象としたカイラルフォトニック結晶での研究を進め、研究目的のすべてではないものの大部分を達成できるように努める。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス（COVID-19）の影響により、試料作製で必須となる大型共用装置（他都道府県への移動が必要）を利用することができず、半導体カイラルフォトニック結晶の作製が十分にできなかった。したがって、本研究目的を達成するためには研究期間を延長せざるを得なかった。
研究期間を延長して臨む次年度の予算使途としては、半導体カイラルフォトニック結晶の作製のための消耗品や、大型共用装置の利用のための旅費が主である。ただし、次年度も新型コロナウイルス（COVID-19）の影響で試料作製の制限が見込まれる場合には、大型共用装置を使用する必要のないマイクロ波を対象としたカイラルフォトニック結晶での研究を進めるため、マイクロ波測定用の消耗品も使途に含む。
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