2020 Fiscal Year Research-status Report
反強磁性結合プラズモン共振器による疑似メタマテリアル創製と超高感度キラル分子計測
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20K05375
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| Research Institution | Akita Industrial Technology Center |
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Principal Investigator |
山根 治起 秋田県産業技術センター, 電子光応用開発部, 上席研究員 (80370237)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | プラズモン / 磁気光学 / キラリティ / 反強磁性結合 / メタマテリアル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、光学的キラリティとスピン制御との融合を図ることで、空間および時間反転対称性に係る新たな物理現象の発現ならびに革新的光デバイスの実現を目的としている。伝導電子を介した反強磁性結合とフォトニックバンド構造とを組み合わせることで、磁性／非磁性状態の疑似的アレンジが可能な光共振器を構築する。さらに、プラズモン近接場による局所キラル電磁場の導入により、高度かつ多彩な偏光制御を可能とする疑似メタマテリアルへと発展させ、超高感度キラル分子計測など高性能バイオ化学センサとしての実用化を目指す。
研究初年度は特に、表面プラズモン共鳴が光磁気物性に与える影響について検討し、磁気Kerr回転角の数百倍におよぶ増強、ならびに、通常のプラズモンセンサに比較して非常に急峻な光学応答を実現することができた。本物理現象の理論的な解明とともに、化学センサへの応用にも取り組んだ。センサ応用の一例として、水素ガスの導入／遮断にともなう検知信号の明瞭な応答を確認し、水素センサとしての利用可能性を実証することに成功した。さらに、光共振器への展開を予定している磁気光学キャビティ素子においては、磁気光学特性および垂直磁気異方性など基礎物性の解明に関する研究を行った。本研究内容に係る論文は、米国物理学協会学術誌(Journal of Applied Physics)に投稿中であるが、Featured Article選出の連絡を受けており、学術的に高い評価を得ることもできた。
一方、微細加工を用いたメタマテリアル作製に関する研究内容については、研究協力機関である秋田大学での実験を予定していたが、新型コロナウィルスの影響によって実施できなかった。局所キラル電磁場の発現に必須の基盤技術であり、次年度の研究課題として取り組みを予定している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究課題では、光学的キラリティとスピン制御との融合を図ることで、空間および時間反転対称性に係る新たな物理現象の発現ならびに革新的光デバイスの実現を目的としている。研究初年度は特に、表面プラズモン共鳴が光磁気物性に与える影響について検討し、磁気Kerr回転角の大幅な増強および非常に急峻な光学応答を達成した。デバイス応用の一例として、水素センサとしての利用可能性を実証することにも成功し、本研究成果は応用物理学会論文誌(Japanese Journal of Applied Physics)に掲載された。さらに、光共振器への展開を予定している磁気光学キャビティ素子に関する研究では、投稿中の論文が「Featured Article選出」の連絡を受けており、学術的に高い評価を得ることもできた。
一方、磁気光学共振器の効率的な研究遂行のために必要である「光学設計解析」に係る研究内容に関しては、当初導入を予定していたソフト(微小光学領域FDTD波動解析)では性能的に不十分であることが判明し、研究初年度での購入は断念した。研究協力者である千葉工業大学への協力依頼を含め、別ソフトでの対応を検討する。さらに、局所キラル電磁場の発現に必須の基盤技術である「メタマテリアル作製」に係る研究内容に関しては、新型コロナウィルスの影響を受けて、研究協力機関の実験設備(電子線描画装置)が使用できず、実施できなかった。次年度の検討課題として取り組みを予定している。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和３年度も引き続き、プラズモン共鳴が光磁気物性に与える影響、特に磁性ナノ構造体の磁気光学特性に関する研究を進める。磁気光学性能のさらなる向上を図ることで、外部磁場によるＰ／Ｓ偏光の切り替えなど、偏光状態の高度な制御が可能な新たな光デバイス(磁気光学共振器)を実現する。本研究内容に関しては、ナノレベルでの３次元周期構造の構築に係る基盤技術を必要とし、効率的な研究遂行には理論的なアプローチが不可欠である。前述のように、研究当初に想定していたシミュレーションソフトでは性能的に不十分であることが判明しており、研究協力者である千葉工業大学への協力依頼を含め、別ソフトでの対応を検討する。なお令和３年度は、光学設計解析に関する理論的計算手法の確立を優先し、外部機関(研究協力者：秋田大学)での研究設備を使った微細加工実験については、新型コロナウィルスの感染状況を見極めつつ柔軟な対応で進める。
一方、研究成果の実用デバイスへの展開については、水素センサでの研究成果をバイオ計測へと発展させる取り組みを進める。波長安定化レーザの導入による計測精度の向上とともに、溶液中測定が可能な評価システムを構築する。さらに最終年度には、磁気光学共振器を検知素子として用いることで、超高感度キラル分子計測を実現する。
以上の研究成果に関しては、学会・論文発表による社会・国民への積極的な情報発信ならび特許出願による実用化に向けた取り組みを、時機を逸することなく進める。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウィルスの影響により、学会／研究会への参加および研究協力者との打ち合わせをオンラインで行い、旅費支出が少なかったため。
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Research Products
(4 results)
