光の軌道角運動量を用いた固体物性研究

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K05306
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 有川 敬 京都大学, 理学研究科, 助教 (70598490)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 光渦 / 軌道角運動量 / テラヘルツ

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、軌道角運動量を持つ光渦（トポロジカル光波）を用い、新しいタイプの光と物質の相互作用を探求し、またその応用を開拓することである。物質系としては、トポロジーが重要な役割を果たす量子ホール系に着目した。対応するエネルギー帯であるテラヘルツ周波数帯の分光実験を行うための測定システムの整備を行なった。具体的には、これまで用いてきたテラヘルツパルスに加え、連続テラヘルツ波を用いた光渦実験を行うシステムを構築した。このシステムでは、２つの通信波長帯半導体レーザーの周波数差に等しいテラヘルツ波を発生するフォトミキシング技術を利用している。これにより、テラヘルツ波の波長精度は半導体レーザーの波長精度で決まり、非常に単色性の良い連続テラヘルツ波を発生させることが可能になった。また、螺旋状位相板を用いることで特定の軌道角運動量を持つ純粋な光渦ビームを実現することができる。以上のように、量子ホール系における光渦励起効果の研究を進める準備が整った。また、別の物質系として、トポロジカルフォトニック結晶にも着目した。光渦による無散逸エッジモードの励起を念頭に、まずはフォトニックバンドの観測を行なった。試料としては、シリコン基板に蜂の巣状の三角穴を空けた構造を用いた。この試料は１THz付近にフォトニックバンドギャップを持つ。テラヘルツ波の透過測定とその入射角度依存性により、フォトニックバンドの一部を観測することに成功した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初想定していた２つの物質系における研究を進めることができた。量子ホール系の実験においては、テラヘルツパルス光源に加えて連続テラヘルツ波光源も利用できるようになったことで、今後の研究の幅が大きく広がったと考えている。トポロジカルフォトニック結晶の実験では基礎的な試料評価技術を確立することができた。

Strategy for Future Research Activity

量子ホール系の実験では、GaAs２次元電子系やグラフェンを用いて光渦励起効果を確かめる実験にとりかかる。輸送特性の測定や電気的なキャリア密度制御も同時に行いながら、光の軌道角運動量転写を確かめる。トポロジカルフォトニック結晶の実験では、フォトニックバンドのトポロジーを特徴付ける電磁場分布の測定にとりかかる。

Causes of Carryover

新型コロナウィルスの影響による物品納入キャンセルと出張キャンセル。
翌年度の物品費、旅費として有効活用する。