2020 Fiscal Year Annual Research Report
Berry phase optics using magneto-electric metasurfaces
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20H02556
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
冨田 知志 東北大学, 高度教養教育・学生支援機構, 助教 (90360594)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
黒澤 裕之 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 助教 (20708367)
中西 俊博 京都大学, 工学研究科, 講師 (30362461)
澤田 桂 国立研究開発法人理化学研究所, 放射光科学研究センター, 研究員 (40462692)
上田 哲也 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 教授 (90293985)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | メタマテリアル / メタ表面 / 電気磁気効果 / マイクロ波 / 有限要素法 / ベリー位相 / 特異点光学 / 代数幾何 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、位相勾配メタ表面と磁性を組み合わせて、電気磁気（ME）効果を用いた光の非相反現象を室温で実現することを目的としている。スプリットリング共振器とフェライト磁石を組み合わせた位相勾配MEメタ表面を用いて、マイクロ波に対するローレンツ力を実証する。次に近赤外光領域での熱輻射制御が可能な動的調光窓「スマートウインドウ」の実現を目指す。理論と実験が手を携えてベリー位相光学による普遍的理解に到達することで、数学と連携した新たな科学へ展開することができる。
初年度から研究体制を総動員して、マイクロ波領域での位相勾配MEメタ表面を実験と理論の両面から調べた。すべての実験と理論計算に代表者である冨田（東北大学）が関与した。科研費の資金で整備した有限要素法（FEM）数値計算を用いて、分担者の黒澤と上田（共に京都工芸繊維大学）と共に、巨大なME効果が発現するメタ表面の構造を最適化した。分担者の中西（京都大学）と共に測定系構築するため、東北大学にベクトル・ネットワークアナライザを、京都大学にソースメータを導入し、マイクロ波のローレンツ力の測定の準備を進めた。分担者の澤田（理化学研究所）と共に、異方性を軸にしたベリー位相光学と特異点光学の融合を進め、解説記事を執筆した。その中で、ハミルトンにより予言された二軸性媒質による円錐屈折に端を発し、数学でのクンマー曲面など代数幾何的なアイデアが、ベイトマンの理論を経てメタマテリアルを用いた新しい光学として蘇りつつある現状を紹介した。
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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
巨大なME効果が発現するメタ表面の構造を最適化することができ、マイクロ波のローレンツ力の測定の準備を進め、ベリー位相光学と特異点光学の融合を進めることができたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
FEM数値計算で明らかになった巨大なME効果を発現するメタ表面を作製する。基板加工機を用いた作製は中西と共に行う。このメタ表面に対して、10GHz近傍のXバンドマイクロ波の放射パターンを黒澤と上田と測定し、ローレンツ力を観測する。並行して黒澤がFEMで数値的に放射パターンをシミュレーションする。実験結果とシミュレーション結果を照合し、マイクロ波のローレンツ力を実証する。この実験結果を用いて、澤田と共にベリー位相光学を確立する。
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