2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Topological Nanophononics for the Beyond 5G Era
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21K18877
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
鶴田 健二 岡山大学, 自然科学学域, 教授 (00304329)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三澤 賢明 岡山大学, 自然科学学域, 助教 (00823791)
大村 訓史 広島工業大学, 工学部, 准教授 (90729352)
羽田 真毅 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (70636365)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2023-03-31
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| Keywords | 音響トポロジカル絶縁体 / テラヘルツ弾性波 / 局在フォノン / 時間依存第一原理分子動力学シミュレーション / 時間分解電子線回折実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，波動伝搬のロバスト性により注目が集まるトポロジカル絶縁体の概念を，音波・弾性波に拡張した“トポロジカル・フォノニクス”により，Beyond 5G時代に必要となる超高周波弾性波デバイスの動作原理を設計・実証することを目指している。本年度は，本課題の達成目標である２項目について，下記の実施実績・成果をえた。
（Ａ）原子レベルのトポロジカル相界面の局在フォノン伝搬の理論・シミュレーション
フォノンバンド計算により，THz周波数帯でトポロジカル相界面のエッジ状態を持ちうる物質とその結晶粒界構造，および人工周期構造を探索している。昨年度に引き続き2層グラフェンを捩じることで形成されるモアレ構造と，その内の1層に形成される欠陥・界面の構造に着目し，タイトバインディング近似ならびに第一原理計算にもとづく電子状態とフォノンバンド計算を行った。特に，上層のグラフェンに粒界や転欠陥を導入し，下層のねじれ角を調整することでフォノン・電荷の局在化をON/OFFできる新しいデバイスの可能性を見出した。
（Ｂ）トポロジカル相界面に対する光励起による局在フォノン制御
昨年度に引き続き，原子間の結合状態を光励起で変化させることによる振動状態変化の解析・設計を，時間依存密度汎関数法に基づく第一原理分子動力学シミュレーション法と電子線回折実験とを組み合わせることで試みた。本年度は特に，ＣＮＴとＢＮＮＴのヘテロ接合に対する電子線回折実験を集中的に行い，ＣＮＴを光励起したときにＢＮＮＴにどのようにエネルギー（振動）が伝わるのかを計測した。その結果，1ピコ秒程度の時間内で電荷移動がおこることでエネルギーがＣＮＴからＢＮＮＴに移り，それに伴ってフォノンも移動していることが分かった。この現象は，並行して実施してきた時間依存密度汎関数計算における結果とも定性的に一致した。
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