2020 Fiscal Year Annual Research Report
Reconfigurable topological nanophotonics
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20H05641
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
納富 雅也 東京工業大学, 理学院, 教授 (50393799)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森竹 勇斗 東京工業大学, 理学院, 助教 (50783049)
小野 真証 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, ナノフォトニクスセンタ, 主任研究員 (80728197)
高田 健太 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, 量子科学イノベーション研究部, 研究主任 (90786659)
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| Project Period (FY) |
2020-08-31 – 2025-03-31
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| Keywords | トポロジカルフォトニクス / ナノフォトニクス / フォトニック結晶 / 非エルミート光学 / メタマテリアル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、構造を作製した後に動的に再構成可能な光トポロジー制御技術を実現することを大きな目的とし、この目的達成のために、（１）ナノ材料修飾によるナノフォトニクス構造の制御技術と、（２）屈折率虚部が周期的に配列した非エルミート光学周期系を利用した制御技術を用いるアプローチをとっている。
初年度である2020年度は、（１）に関して研究応募時に提案していた相変化材料装荷フォトニック結晶による光トポロジカル相転移の実現をまず目指した。応募時に理論計算による性能予測までできていたが、本研究開始後にGST成膜技術および高精度位置合わせ技術を用いた構造作製を行い、サブミクロンスケールのGSTが装荷されたシリコンフォトニック結晶構造の実現に成功した。並行して角度分解反射分光法の測定系を開発し、同測定系を用いてバンド構造の直接測定を行い、GSTの結晶アモルファス相転移によって引き起こされる光トポロジカル相転移の初期的な観測に成功した。
（２）に関しては電流注入型フォトニック結晶結合ナノ共振器構造を用いて、非エルミート系特有の例外点を実現し、例外点からの直接発光の観測に世界で初めて成功した。また、グラフェンをサブミクロン周期でパターニングすることで、屈折率虚部が周期的に変調された非エルミートフォトニック結晶を実現する手法を提案し、例外点が実現できることを明らかにした。
また、本計画で注目しているトポロジカル特異点については、我々が発見した決定論的なトポロジカル特異点形成手法の理論提案論文が、本科研費研究開始直前2020年7月にPRLに掲載され報道発表を行ったが、この理論提案の実験観測に向けた研究を進め、初期的な観測に成功した。
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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
初年度は、まず本計画の鍵となる、ナノ材料の選択装荷技術の立ち上げと角度分解反射測定を中心とした観測技術の立ち上げを順調に行った。
応募時に提案していた相変化材料装荷フォトニック結晶による光トポロジカル相転移に関しては、上述の両技術を用いて実験を進め、初期的な観測にまで成功した。また、もう一つの柱である非エルミート系に関しても、例外点直上の現象観測、非エルミートフォトニック結晶の動作解析など、非エルミート周期系の例外点制御に向けた重要なマイルストーンが達成されている。例外点とともに我々が注目しているトポロジカル特異点に関しては、応募時に理論提案しPRLに発表した決定論的トポロジカル特異点形成手法を適用して素子作製を行い、初期的な観測に成功した。以上のように、初年度は、本計画の基盤となる複数の技術のを開発し、応募時に提案した実験も順調に進んでおり、計画全体は順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、初年度に初期的な観測まで行った光トポロジカル相転移の実現とトポロジカル特異点の形成に関する実験を進めて、定量的なデータの取得を目指す。また、非エルミート型フォトニック結晶に関しては、グラフェンの選択装荷技術を用いて屈折率虚部の制御を行う素子作製を行い、例外点やトポロジカル特異点の制御に関する研究を進める予定である。既に我々が理論提案を行っている屈折率虚部を用いたトポロジカル相制御に関する実装法の検討を進める。特に例外点およびトポロジカル特異点に関しては、その性質も未解明な点が多いことから、どのような現象が実現できるのかという観点で探索的な研究を進めていく。
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