2022 Fiscal Year Annual Research Report
Controlling the parity and time-reversal symmetry of graphene Dirac plasmons and its application to terahertz lasers
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21H04546
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
尾辻 泰一 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (40315172)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
佐藤 昭 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (70510410)
吹留 博一 東北大学, 電気通信研究所, 准教授 (10342841)
楢原 浩一 神奈川工科大学, 工学部, 教授 (00422171)
Maxim・V Ryzhii 会津大学, コンピュータ理工学部, 上級准教授 (50254082)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2026-03-31
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| Keywords | グラフェン / ディラックプラズモン / パリティ・時間反転対称性 / テラヘルツ / レーザ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１. GDPメタ表面のPT 対称性のモデル化 （担当：分担者 楢原，佐藤，Ryzhii，代表者 尾辻）
・ADGG構造内のGDPメタ表面を電気格子とみなし，GDP波長に比して十分に短い空間セル分解能でGDP伝搬モード毎に損失・利得特性を等価回路化した散乱行列の多次元化を進めた．代表的なADGG構造・物性パラメータにおいてモード間結合を伴う正常応答を確認した．今後、構築した多次元散乱行列による数値解析法の種々のADGG構造・物性パラメータに対する汎用性を検証してゆく． 更に、上記伝送線路モデルと既開発の電磁界解析ツールを用いてADGG-GDP共振特性（モード周波数，Q値）とPT対称性との相関の解明を進めた，PT対称となる特異点は利得と損失が拮抗する動作点で発現することを確認できた。今後、ADGGの構造・物性パラメータに対する高速利得変調特性の相関と性能限界に対する見通しを得る．
２. ADGG-GFET内GDPの不安定状態におけるミクロスコピックなPT 対称性の解明と，超高速利得変調動作の原理検証 （担当：代表者 尾辻，分担者 吹留，佐藤；研究協力：松田（東大））
・デバイス試作プロセスは，東北大学電気通信研究所附属ナノ・スピン実験施設設備を利用して実施した．（担当：分担者 佐藤，吹留，代表者 尾辻）
・電圧印加状態での非平衡GDPダイナミクスをナノ空間分解能と100フェムト秒の時間分解能で直接観測可能な研究分担者：吹留，松田らが開発したオペランド時間・空間分解X線光電子分光装置を用いて観測する実験を進めた．（担当：分担者 吹留； 研究協力：松田（東大））更に、超高速利得変調動作実験の準備を進めたが、2022.３.１６に発生した宮城県沖地震により研究代表者所有のTHz時間領域分光装置が損壊し中断した．政府補償による代替装置購入の目途が立ち、2023年度には実験再開できる見込みである．
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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
理由
以下の通り，いずれの研究課題においても計画通りに順調に進展している．
１. GDPメタ表面のPT 対称性のモデル化 （担当：分担者 楢原，佐藤，Ryzhii，代表者 尾辻） ： 計画通りに順調に進展している．
２. ADGG-GFET内GDPの不安定状態におけるミクロスコピックなPT 対称性の解明と，超高速利得変調動作の原理検証 （担当：代表者 尾辻，分担者 吹留，佐藤；
研究協力：松田（東大））： 一部の実験（2022.３.１６に発生した宮城県沖地震で損壊した研究代表者所有THz時間領域分光装置を用いる高速変調動作観測実験）を除いては計画通りに順調に進展している．また、地震により中断した当該実験も2023年度に再開の見通しが得られている．
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| Strategy for Future Research Activity |
１. GDPメタ表面のPT 対称性のモデル化 （担当：分担者 楢原，佐藤，Ryzhii，代表者 尾辻）
・構築した多次元散乱行列による数値解析法の種々のADGG構造・物性パラメータに対する汎用性を検証してゆく．更に、ADGGの構造・物性パラメータに対する高速利得変調特性の相関と性能限界に対する見通しを得る．
２. ADGG-GFET内GDPの不安定状態におけるミクロスコピックなPT 対称性の解明と，超高速利得変調動作の原理検証 （担当：代表者 尾辻，分担者 吹留，佐藤；研究協力：松田（東大））
・ADGG-GFETのPT対称性をゲートおよびドレインバイアスによって電気的に操作し，GDPの利得と共振器端反射係数を高速かつ能動的に変調することによって，レーザ発振の高速ON/OFF制御が可能であることを実証する．実験には、政府調達による補償で2022.3.16の地震で損壊した装置の代替購入の目途が立ったTHz時間・周波数領域分光装置を用いる．
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Research Products
(51 results)
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[Journal Article] Ultrafast terahertz transparency boosting in graphene meta-cavities2022
Author(s)
Lan Wang, Ning An, Sen Gong, Xuan Sheng, Yiwei Li, Baicheng Yao, CuiYu, Zezhao He, Qingbin Liu, Zhihong Feng, Taiichi Otsuji, and Yaxin Zhang
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Journal Title
Nanophotonics
Volume: 11
Pages: 4899-4907
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Presentation] Controlling the PT symmetry of Dirac plasmons in dual-grating-gate graphene THz laser transistors for ultrafast gain switching2022
Author(s)
Taiichi Otsuji, Akira Satou, Hirokazu Fukidome, Maxim Ryzhii, Victor Ryzhii, and Koichi Narahara
Organizer
CLEO: Conference on Lasers and Electro-Optics 2022, the San Jose McEnery Convention Center, San Jose, California, USA, May 15-20, 2022.
Int'l Joint Research
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[Presentation] Recent advances in the research of graphene plasmonic terahertz laser transistors2022
Author(s)
T. Otsui, A. Satou, S.A. Boubanga-Tombet, H. Fukidome, M. Ryzhii, K. Narahara, V. Mitin, M.S. Shur, and V. Ryzhii
Organizer
241st ECS Meeting, Vancouver, BC, Canada, May 29 - June 2, 2022. (invited)
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Discovery of Coulomb-Drag Instability of Graphene Dirac Plasmons2022
Author(s)
Victor Ryzhii, Maxim Ryzhii, Akira Satou, Vladimir Mitin, Michael Shur, and Taiichi Otsuji
Organizer
IRMMW-THz: the 47th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, We-PM2-1, Delft, Netherland, Aug. 28-Sept. 2, 2022.
Int'l Joint Research
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[Presentation] グラフェンFETにおけるユニポーラ動作による光熱電型高速テラヘルツ検出の実現2022
Author(s)
田村紘一, 唐超, 荻浦大地, 諏訪健斗, 吹留博一, 佐藤昭, 瀧田佑馬, 南出泰亜, 末光哲也, 尾辻泰一
Organizer
第83回応用物理学会秋季学術講演会予稿集, 21p-A202-6, 東北大学川内キャンパス, 仙台市, ハイブリッド, Sept. 21, 2022.
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[Presentation] Single-asymmetric-gated graphene field-effect transistor for terahertz applications2022
Author(s)
Chao Tang, Koichi Tamura, Akira Satou, Victor Ryzhii, Taiichi Otsuji
Organizer
SSDM: International Conference on Solid State Devices and Materials, J-3-03, Makuhari, Tokyo, Japan, Sept. 26-29, 2022.
Int'l Joint Research
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[Presentation] Unipolar photothermoelectric THz detection assisted by Coulomb drift/diffusion of Dirac fermions in asymmetric dual-grating-gate graphene FETs2022
Author(s)
K. Tamura, C. Tang, D. Ogiura, K. Suwa, H. Fukidome, Y. Takida, H. Minamide, T. Suemitsu, T. Otsuji, and A. Satou
Organizer
RPGR: Recent Progress on Graphene and related 2D materials Research International Conference, Taipei, Taiwan, Nov. 13-17, 2022.
Int'l Joint Research
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[Presentation] Zener-Klein tunneling and transit-time effects in cascade periodic graphene p-i-n structures: amplification and emission of terahertz radiation2022
Author(s)
V. Ryzhii, M. Ryzhii, V. Mitin, M.S. Shur, and T. Otsuji
Organizer
WINDS: the Workshop on Innovative Nanoscale Devices and Systems Abstracts Booklet, Th-AM1-7, Royal Sonesta Kaua(I Resort Lifue, Hawaii, USA, Dec. 4-9, 2022.
Int'l Joint Research
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