Kirigami metamaterials for tunable optical properties

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H01274
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 20010:Mechanics and mechatronics-related
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: Kan Tetsuo 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (30504815)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 神田 夏輝 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, 研究員 (60631778) ; 岩瀬 英治 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (70436559) ; 高橋 英俊 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (90625485)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: メタマテリアル / 切り紙 / MEMS

Outline of Final Research Achievements

In this study, we aim to realize MEMS optical metamaterials with significantly modulated optical properties by utilizing kirigami structures. Traditional methods for dynamically modulating the properties of optical metamaterials have involved three-dimensional shape changes of optical resonance structures and changes in the spacing of resonators through stretching flexible substrates. However, these methods have limitations and do not provide the modulation functions required for practical devices. Therefore, by integrating kirigami structures, which allow for high degrees of freedom in creating three-dimensional structures from two-dimensional planes, we aim to eliminate structural constraints and establish the foundational technology for realizing optical metamaterials with vastly enhanced modulation capabilities.

Free Research Field

MEMS

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、回折格子を備えたEMS構造にナノサイズの切り紙構造を作製することで、外力により格子ピッチを大幅に変形可能とする構造の作製に取り組み、ピッチ変形量100%可変な構造を試作した。試作の結果構造の破断などがみられるため、十分な格子としての機能は実現できなかったが、限定的に100%変形可能な格子構造の実現が可能であることを確認した。また、アクリルプレートに螺旋状の構造を形成し、大きな大変形を誘起可能なスパイラル型のメタマテリアル構造を作製し、ラージスケールモデルにおいてGHzで円偏光の変調可能性を確認した。これらは、光学素子設計論の新しい可能性を開拓するものであり、大きな実用的意義を持つ。