2023 Fiscal Year Annual Research Report
Experiments, theories, and applications of space-time-dependent metamaterials that allow visualization of wave phenomena
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22H01930
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
友田 基信 北海道大学, 工学研究院, 助教 (30344485)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松田 理 北海道大学, 工学研究院, 教授 (30239024)
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) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 時間空間媒質 / 力学系メタマテリアル / ウェーブマシン / 非相反 / トポロジー |
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| Outline of Annual Research Achievements |
媒質の物理定数が時間および空間に依存する時間空間媒質を、波動現象が目視可能なアクティブ力学系メタマテリアルで実現することを目標に研究に取り組んだ。２年目には、次のことに取り組んだ。
1. 有効パラメーターを時空間的に変化できるアクティブ１次元メカニカルメタマテリアルの開発：１次元ウェーブマシンを基に永久磁石を各ロッドに取り付け、電磁石によって各ロッドの有効質量を制御する機構を取り入れるシステムの開発を行った。複数のロッドに対する電磁石のOn/Offのデジタル制御部分の開発を行った。
2. パッシブな２次元ウェーブマシンによるトポロジカルに保護されたエッジモードの演示：ハニカム格子状の２次元ウェーブマシンを作成し、そのトポロジカルに保護されたバレーホール効果の境界モードを観測する実験とシミュレーションを行った。この研究成果を論文にまとめApplied Physics Express誌に掲載した。
3. 回転により時間反転対称性を破った２次元ウェーブマシンによるトポロジカルに保護されたエッジモードの演示：系全体を回転し、コリオリ力によって時間反転対称性を破るウェーブマシンを開発し、トポロジカルに保護された１方向に進むエッジモードの実験を行った。この研究成果は2024年春の応用物理学会で発表し、学術論文にまとめている最中である。
4. 古典力学系におけるフォノニック結晶を離散化した質量バネシステムについて、電子系を参考にトポロジカルな局在状態についての理論構築を行った。１次元のみならず２次元や３次元の系でもバネ定数が一定で質量が変化する質量バネモデルを電子系のモデルに対応付ける方法を考案した。
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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
時間空間媒質となる外部制御可能な１次元メタマテリアルの開発については、時間境界による反射現象を観測し、理論と比較することまで達成できている。また、各ロッドに外部から有効的な物理定数を制御できる機構をつけた力学系メタマテリアルについても、開発に着手して、試作を繰り返し課題を克服している段階である。
２次元メタマテリアルの開発については、シャイブウェーブマシンを2次元に拡張した力学系メタマテリアルを開発し、パッシブな現象として力学系バレーホール効果を肉眼で観測することができている。またアクティブな現象として系の回転によって時間反転対称性を打ち破る実験も行い有意な成果が得られている。
計画に書いた円環状のウェーブマシンの開発については、人手が足りず着手できていない。３次元の力学系メタマテリアルの開発についてはパッシブな系ではあるが、昨年に引き続きシミュレーションで振動が局在するモードがでる条件を確かめながら、質量が変化する場合の離散系フォノニック結晶の理論の構築に取り組んでいる。
以上のことから、計画を達成できていない部分や、論文に発表する段階までたどり着けていないことも多いが、一部で想定を超えて進んでいる部分もあり、おおむね順調に進展していると言える
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| Strategy for Future Research Activity |
永久磁石を取り付けた１次元ウェーブマシンの各ロッドの動きに対して、それを検知し、フィードバック信号を永久磁石に向かい合う電磁石に対して働かせる機構の開発に取り組む。この部分の開発が当研究の鍵となる部分であり、それが実現できると、コンピュータ制御によって外部から有効的な物理定数を制御できる機構をつけた力学系メタマテリアルが実現できる。その機構をまず１次元ウェーブマシンに実装することを目指す。
さらに、古典力学系におけるフォノニック結晶を離散化した質量バネシステムについて、電子系を参考にトポロジカルな局在状態についての理論構築と、それを実証するためのシミュレーションや実験も行っていく予定である。最終的には、このトポロジカルな局在と、アクティブなメタマテリアル制御を組み合わせて、時間依存のトポロジカルな振動状態を力学系メタマテリアルで実現することに繋げていきたい。
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