2020 Fiscal Year Annual Research Report
Selective control of multipole in Silicon Mie resonator and infrared metasurface devices
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19H02630
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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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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | メタマテリアル / メタサーフェス / ミー共振 / シリコン / 二酸化バナジウム / 多重極子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
誘電体メタサーフェス素子の実現において、ミー共振器中に強く閉じ込められた多重極子の散乱制御（振幅、位相、偏光）が重要である。本研究では誘電体ミー共振器の多重極子の制御について理論的解明をすすめ、それを応用した赤外メタサーフェス素子の実現を目指している。昨年度に新しく導入した近赤外光学顕微鏡システムを用いて赤外メタサーフェス作製と実験研究をすすめ、以下の成果を得た。
１）Degenerate Critical Coupling（DCC）法による可視域での誘電体完全吸収体：ミー共振器を誘電体に埋め込んで放射損失を制御することで材料固有の損失とバランスさせるDCC法により、完全吸収波長をすべての可視域で実現できる誘電体メタ原子構造を理論的に提案した。また、シリコンミー共振器による実験によりこれを実証した。
２）四重極子の基礎研究：DCC法を四重極子にも拡張することにより楕円型円筒ミー共振器中の四重極子を用いて完全吸収体を理論的に提案した。また、これを実験により実証した。
３）近赤外域への拡張：近赤外でのみ高いコントラストを示すメタサーフェスを設計・試作し、可視カメラでは同一色を示すが近赤外カメラでは異なるコントラストとなる秘匿画像を実現した。これは偽造防止や情報多重化などに応用できる。
４）二酸化バナジウム（VO2）支援シリコンミー共振器による位相制御と偏向素子：シリコンミー共振器の一部にVO2層を付加することにより、金属・絶縁体相転移によりモード体積を大きく変化させ、ミー共振波長において2Piの位相制御ができることを見出した。また、これを利用した温度スイッチング型偏向素子を提案した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
誘電体メタサーフェスに興味をもつ国立台湾大学Shi-Wei Chu教授と共同研究を行うことにより、シリコン単結晶の誘電体ミー共振器の光散乱において10万倍におよぶ巨大な非線形性光学効果を見出した。これは誘電体ミー共振器の強い光閉じ込めによる光熱効果による非線形散乱であることを理論と実験との比較により確認した。Chu教授の専門は超解像顕微鏡であり、国際的な異分野連携により予想外の成果を得ることができた。
本研究はNature Communications誌に国際共著論文として出版されたほか、海外のWebメディア（AAASの運営するEurekaAlert!など）でも多数報道された。本研究は国際共同研究により当初は予想しなかった成果が得られたことから、当初の計画以上に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
シリコンミー共振器をDCC法により完全吸収体とすることでシリコンミー共振器における熱光学効果を最適化することにより、昨年度新たに見出した巨大非線形光学効果の効率をさらに向上させる。また、次世代の光エレクトロニクス材料として期待されるグラフェンと誘電体メタサーフェスとの融合をはかる。
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[Journal Article] Giant photothermal nonlinearity in a single silicon nanostructure2020
Author(s)
Yi-Shiou Duh, Yusuke Nagasaki, Yu-Lung Tang, Pang-Han Wu, Hao-Yu Cheng, Te-Hsin Yen, Hou-Xian Ding, Kentaro Nishida, Ikuto Hotta, Jhen-Hong Yang, Yu-Ping Lo, Kuo-Ping Chen, Katsumasa Fujita, Chih-Wei Chang, Kung-Hsuan Lin, Junichi Takahara & Shi-Wei Chu
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 11
Pages: 4101
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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