2023 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Ultrasonic Topological Phononics for Multifunctional Elastic Wave Devices
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21H05020
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
鶴田 健二 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 教授 (00304329)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
竹澤 晃弘 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (10452608)
松田 理 北海道大学, 工学研究院, 教授 (30239024)
畑中 大樹 日本電信電話株式会社NTT物性科学基礎研究所, フロンティア機能物性研究部, 主任研究員 (60601771)
O・B Wright 大阪大学, 大学院工学研究科, 招へい教授 (90281790)
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| Project Period (FY) |
2021-07-05 – 2026-03-31
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| Keywords | トポロジカルフォノニクス / フォノニック結晶 / トポロジー最適化 / 表面弾性波イメージング / スピンメカ ニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，計算科学的バンド設計とそれに基づいてエッジモードの発現を予測，力学系にモデル化・実証し，トポロジーに保護されたエッジモードを介した極めて低損失な音響波・弾性波伝搬を実現，その上で磁性体のスピン振動との結合や非線形増幅などの新機能開発を本提案の期間全体における研究遂行フローとする。特に，弾性波ならではの波動伝搬の多自由度（縦波・横波，薄板内対称・非対称モード等）を活かし，弾性波・音響波をマルチモードで制御することで，他に類を見ない新奇な超多重化弾性波デバイスの実現を目指している。第３年度では主に以下の成果をあげた：
(A) 高次トポロジカルモードを発現する3次元フォノニック構造を設計・試作し，コーナーモードに関しては実験的にその励起を確認した。また，非エルミート型フォノニック結晶における共振モードのON/OFFが，損失係数で制御できることを理論的に示した；
(B) サブGHz帯でのトポロジカル弾性導波路とリング共振器との臨界結合の実証，さらに導波路上に装荷した磁性体との結合による導波路伝搬の制御性の可能性を示した；
(C) 1次元ウェーヴマシンによるトポロジーに保護された界面モードの発現とその可視化，ならびに，これまで試作してきたメカニカルグラフェンに回転によるコリオリ外力を与えることによる界面上の一方向伝搬の可視化に成功した。
特に，(A)は2次元基板上では集積化の限界に近づく電子デバイス(ゲート素子)がこれから3次元化に向かう際に，弾性波デバイスの垂直方向のシグナル伝搬を高効率に実現するたの新しいパラダイムを与える。また，これらの成果は単独のグループによるものではなく，本研究を推進する３つの研究班がそれぞれ緊密に連携することで初めて可能になった成果である。
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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
本研究で達成を目指す課題の内，中間評価までを目標とした課題の多くは達成し，最終目標に向けた取り組みを加速させた。令和5年度は特に，ウェーブマシンとメカニカルグラフェンによるトポロジーに保護されたエッジモードの可視化に成功し，更に新たな非線形効果発現の可能性を示すことができた。また，昨年度に引き続き，エッジモードとして伝搬する弾性波と磁性体との結合吸収によるスピンメカニクス系の実験検証の精緻化を行った。これは，後半で掲げた目標である，“トポロジカルエッジモード励起に基づく非相反表面弾性波デバイスや信号増幅機能”， “スピンメカニクスデバイス開発”の達成に直結する。
“弾性波の異なる伝搬モードごとの励起と制御”として設定した目標については，エッジモードの伝搬実証に薄膜・薄板の面外変位を光学的に計測する実験手法を用いていることから，直接の実験検証は現時点でも困難であり，引き続き代替計測方法等を検討する。
一方，当初計画していなかったが，高次トポロジカルモードの設計と実証は，弾性波デバイスの高集積化に向けた新たなアプローチとして期待できる成果である。また，非エルミート性を取り入れた共振モードの制御も弾性波デバイスの多機能化のための重要な成果と言える。
以上より，課題が残る部分もあるが，最終目標の達成に向けた着実な成果を得ていることから，総じて，ここまでの進捗状況を，「おおむね順調に進展している」と判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度に向けた課題として，(i) 計算科学バンドトポロジー最適化と多重モード設計，(ii) GHz帯の極超音波の時間分解音響波イメージングと力学系メタマテリアルによる非エルミート系フォノニクスの現象可視化，(iii) Beyond 5G/6Gに向けて更なる高周波化(～THz)と高集積化，磁性体との結合や非線形効果による増幅や制御など新たな手法の開発がある。これらを踏まえ，３つの研究グループでそれぞれ以下を遂行する予定である。
〇鶴田(T)班・・・T1: 高次トポロジカルフォノンモードの制御性の確立と高周波数化，T2: バンドトポロジーの最適化設計手法の確立，T3:フォノン-スピン結合を含むトポロジカルフォノンモードの制御性の理論解析，THzトポロジカルフォノニック構造の設計；
〇松田(M)班・・・M1:時間分解音響波イメージング技術によるGHz領域のフォノニック結晶中・表面弾性波計測，M2: 2次元ウェーブマシンによる力学系メタマテリアルによる，エッジ状態発現のフロケ動的制御実験，非線形効果の実証；
〇畑中(H)班・・・H1: GHz極超音波領域で多重モードで動作するトポロジカル弾性体の設計・試作と局在・エッジモード観測，H2: GHz極超音波フォノニック素子フロケエンジニアリング・非線形弾性効果観測，H3:トポロジカルな回転振動波と電子スピンとの結合を用いたスピンメカニクス素子の動作実証。
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| Remarks |
・(Invited) D. Hatanaka,"Spatial and dynamical phonon controls with ultrahigh-frequency phononic devices" 3rd special CMSM-ERATO Joint Seminar NIMS, Tsukuba
・(依頼講演)Polytec Japan Webセミナー：鶴田健二 (2023.9.12)
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