2020 Fiscal Year Research-status Report

Observation of helical edge states in topological photonic crystals

Research Project

Project/Area Number	19K14634
Research Institution	Kyoto University
Principal Investigator	猪瀬裕太京都大学, 理学研究科, 特定助教 (90634501)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	フォトニック結晶 / トポロジカル絶縁体 / 時間領域差分法 / テラヘルツ時間領域分光法 / 電気光学サンプリング法 / テラヘルツ光 / テラヘルツ波 / ナノ構造
Outline of Annual Research Achievements	２０２０年度は、Expanded構造およびShrunken構造におけるテラヘルツ帯での時空間分解測定を遂行し、それに対応する数値計算を行った。実験で取得した電場の空間像には周期的なパターンが観測され、数値計算との比較から２次元フォトニック結晶のバンド構造に対応したものであることを確認した。これは、電磁場固有モードの電場空間分布を直接観測したことに対応しており、本研究の目的である界面モードの観測へとつながる成果である。本研究では、（Ａ）試料構造設計・光伝播解析、（Ｂ）試料作製、（Ｃ）光学測定、という３つの班で研究体制を構成して研究を遂行している。各班における具体的な研究実績は、以下に示す通りである。（Ａ）試料構造設計・光伝播解析：Ａ班では、各試料構造において光伝播シミュレーションを実行し、フォトニックバンドの固有モードによって形成される電場空間分布を算出した。この計算結果と比較することによって、Ｃ班における光学測定で得られた周期パターンが、バンド構造に由来するものであることが確認できた。（Ｂ）試料作製：Ｂ班では、薄膜シリコンウェハをフォトリソグラフィーと深掘りドライエッチングによって加工し、テラヘルツ帯に対応するフォトニック結晶を作製した。完成した試料は、設計した構造にかなり近いものであることを光学顕微鏡像から確認した。（Ｃ）光学測定：Ｃ班では、Ｂ班で作製した試料を用いて時空間分解測定を行った。測定には実時間テラヘルツ近接場顕微鏡を使用し、試料外へと漏れていくテラヘルツ光を空間分解した上で時間波形を検出した。その結果、フォトニックバンドの固有モードに対応した電場の空間像を取得することができた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason ２０２０年度は、空間分解測定を実時間テラヘルツ顕微鏡によって実施し、フォトニックバンドの固有モードに対応した電場空間像を取得することができた。しかしながら、当初の計画では２０２０年度中に界面モードの測定を開始する予定であったため、進捗としてはやや遅れているといえる。各班における進捗状況は、以下に示す通りである。（Ａ）試料構造設計・光伝播解析：Ａ班では、フォトニックバンドの空間固有モードを算出することで、実験で取得した電場の空間像との比較を行った。こちらは、初年度に立ち上げた３次元時間領域差分法の計算システムを用いており、２０２０年度もこのシステムが十分に機能しているためスムーズに計算を遂行できた。（Ｂ）試料作製：Ｂ班では、フォトリソグラフィーと深掘りドライエッチングによって薄膜シリコンウェハを加工し、フォトニック結晶の作製を行った。こちらも初年度に得た作製プロセスのノウハウがあるため、膜厚の薄さによる破損を防ぐことができ、昨年度よりも大きな面積の試料を作製できた。顕微鏡像から、面内および面直方向の加工精度に問題がなく、設計に近い試料を作製できていることを確認した。（Ｃ）光学測定：Ｃ班では実時間テラヘルツ近接場顕微鏡を用いて、作製した試料において時空間分解測定を実施した。この測定は、フォトニック結晶薄膜に電気光学結晶を接近させ、面直方向に漏れていくテラヘルツ電場をEOサンプリング法によって観測するものである。したがって、薄膜と結晶との距離が大きすぎると十分な空間分解能および検出感度が得られず、また距離が小さすぎると電気光学結晶の高い屈折率の影響で本研究に必須であるバンドギャップが消失してしまう。そのため、本測定に適した距離を探索することに時間を要したが、最終的には固有モードに対応した電場空間像を取得することに成功した。
Strategy for Future Research Activity	最終年度は、２つの構造を接合させた界面における伝播モードについて時空間分解測定を行う予定である。２０２０年度の研究実施の過程で、現行の系では伝播モード測定に必要な周波数分解能がないことが判明している。空間分解測定における周波数分解能は、現状では実験系で生じている遅延のついた不要な反射光によって制限されている。２つの構造を別々に測定した本年度の実験に対しては周波数分解能が足りたのだが、界面モードを抽出するにはより高い周波数分解能が必要となる。今後は実験系で生じている反射光を抑制することでEOサンプリングの検出時間幅を大きくし、周波数分解能を向上させることを計画している。
Causes of Carryover	２０２０年度は、おおむね計画通りの支出状況である。次年度使用額が生じたが、これはコロナ禍で学会が開催中止となった初年度に生じた未使用額と同額程度であり、本年度分は計画通りの支出となった。最終年度に数値計算のリソース増強がさらに必要となる可能性があるが、総額は予定額の範囲内に収まる見込みである。