2014 Fiscal Year Research-status Report
メタマテリアル表面に励起されるプラズモンの速度制御
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25790065
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
中西 俊博 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30362461)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | メタマテリアル / 表面プラズモン / 群速度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の大きな目標の一つである、全反射減衰分光法を用いたフラットバンドの観測を目標とした、テラヘルツ分光系の開発を行った。対象となる人工金属構造はリープ格子型金属ディスク-金属棒平面構造とした。3次元電磁界シミュレーションによって疑似表面プラズモンの分散関係を求めたところ、真に表面波といえる光円錐より下側の領域に広い範囲にわたってフラットバンドが形成されていることが分かった。次に、設計した構造のフラットバンドを全反射減衰分光法で観測できるように、シリコンプリズムを設計し、測定を行った。現在は、まだ少ない点数であるがフラットバンドと思われる波数に無依存な共振が測定されている。また、理論的な解析によって、フラットバンド以外のすべてのバンド構造の分散関係の物理的な起源を明確にすることができた。
自己補対構造における周波数無依存応答に関しては、チェッカーボード構造の設計をおこない、サンプルの作成も行った。サンプルは、基板としてサファイア基板を用い、その上に抵抗構造をチタンで、金属構造をアルミニウムで作成した。テラヘルツ時間領域分光法を用いて透過率を評価したところ、自己補対条件を満たす抵抗値で周波数無依存な特性を得た。また、チェッカーボードの内部に共振構造を埋め込んだ構造においても、自己補対条件でその共振が抑えられやはり周波数無依存の透過特性になることが分かった。
原子系の電磁誘起透明化を模擬するメタマテリアルを用いた群速度制御の研究においては、元々の電磁誘起透明化現象のように補助電磁波（コントロール波）によって制御する方法を考案し、数値解析を行った。
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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
フラットバンドの研究に関しては、理論的な考察は完成し、フラットバンドの起源のみならず、その他のバンドの固有モードの物理的な意味とバンド端での特徴を明らかにすることができた。テラヘルツ全反射減衰分光法を用いたフラットバンドの実験的検証も、シリコンプリズムを用いた反射測定により、フラットバンド起因の波数に無依存な共振モードを数点観測している。当初計画では既に完了している予定ではあったが、測定系は完成しており後は点数を増やして測定するだけであるので大きな遅れではない。
電磁誘起透明化を模擬するメタマテリアルと自己補対構造における周波数無依存応答の研究においては大きな進展があった。これまでの電磁誘起透明化を模擬するメタマテリアルでは、元々の原子系の電磁誘起透明化とは大きな違いがあった。本研究で考案した方法は、非線形効果を巧みに利用することで電磁波により電磁波の透過を制御する本来の意味での電磁誘起透明化を実現することができるユニークな方法となっている。現在はシミュレーションが完了し実験での検証を行っている。自己補対構造における周波数無依存応答の研究においては実験検証が終了し、これを用いた応用へと研究が進んでいる。抵抗のスイッチングによるメタ表面の特性の切り替えに関して既にいくつかの応用を考案している。また、回折周波数以下の電磁波に対する、自己補対構造におけるエネルギーの散逸が抵抗に集中することを利用した電磁波のサーマルイメージングへの応用や、広帯域における非線形効果の増大に関しても応用を考案している。
以上を総合して、本研究課題はおおむね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
テラヘルツ全反射減衰分光法を用いたフラットバンドの実験的検証に関してさらに詳しい解析を行う。具体的には、プリズムの種類を変えながら測定することで、広い範囲での分散関係においてバンドの平坦性を検証する。また、フラットバンド以外のバンドに関しても実験的に分散関係を測定し、理論曲線との一致をみると同時に、構築したモデルの妥当性を検討する。
そして、非常に進展のあった電磁誘起透明化を模擬するメタマテリアルと自己補対構造における周波数無依存応答の研究をさらに進展させる。電磁誘起透明化を模擬するメタマテリアルでは、理論的に提案した本当の意味での電磁誘起透明化を実現するメタマテリアルを実際に作成しマイクロ波領域で検証を行う。実験では、コントロール波と呼ぶ補助的な電磁波の入射により、プローブ波の透過において透明化現象が起こり群速度が低下することを示す。自己補対構造における周波数無依存応答の研究においては、特性をスイッチングするメタマテリアルを実際に作成する。抵抗値を広い範囲で変化させるために、二酸化バナジウムの相転移を利用する。特性の評価はテラヘルツ時間領域分光法を用いる。また、もう一つの応用として、電磁波のサーマルイメージングおよび非線形効果の増大の研究を行う。実験はマイクロ波で最初は行い、テラヘルツ領域への展開も検討する。
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| Causes of Carryover |
本年度、研究が大きく進展し様々な応用が見つかった、電磁誘起透明化を模擬するメタマテリアルと自己補対構造における周波数無依存応答の研究を推進し、実験的検証に結び付けるために次年度予算を当初計画より多くすることにした。そのために、本年度はシミュレーションによるメタマテリアルの設計および最適化を詳細に行うことで、実際に作成するメタマテリアルの種類を少なくし作成コストを低減した。また作成のプロセスの習熟により、より短期間で精度の良いサンプルを作成できるようになった点もコスト低減に結び付いている。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
自己補対構造における周波数無依存応答の研究に関して、特性を切り替える方法として、二酸化バナジウムの相転移を用いる方法を検討する。そして、自己補対構造の抵抗における発熱を利用したサーマルイメージングの研究においては、これまでの用いてきたサファイア基板では熱伝導率が高すぎるためプラスチックを基板に用いる必要がある。これらの研究において、微細加工技術が必要となるために、共同実験施設を利用する必要があり、この利用料金に費用を充てる。
電磁誘起透明化を模擬するメタマテリアルの研究は、マイクロ波領域で行うために必要となるマイクロ波回路の購入に費用を充てる。
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Research Products
(11 results)
