GHz板状フォノニックメタマテリアル及びプラズモニック・フォノニック結晶の実現
| Project/Area Number | 16H03997 |
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Research Field |
Condensed matter physics I
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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) |
O・B Wright 北海道大学, 工学研究院, 教授 (90281790)
松田 理 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (30239024)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Project Status |
Granted(Fiscal Year 2018)
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| Budget Amount *help |
¥17,810,000 (Direct Cost : ¥13,700,000、Indirect Cost : ¥4,110,000)
Fiscal Year 2018 : ¥4,940,000 (Direct Cost : ¥3,800,000、Indirect Cost : ¥1,140,000)
Fiscal Year 2017 : ¥6,240,000 (Direct Cost : ¥4,800,000、Indirect Cost : ¥1,440,000)
Fiscal Year 2016 : ¥6,630,000 (Direct Cost : ¥5,100,000、Indirect Cost : ¥1,530,000)
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| Keywords | フォノン物性 / メタマテリアル / フォノニック結晶 / プラズモニック結晶 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、ナノメートルスケールの厚みをもつ板状の固体を伝搬するGHz周波数領域の弾性波を、人工的なフォノニック構造を使って制御することである。板の曲げ振動波に対して負の有効質量密度と負の有効弾性率を併せ持つダブルネガティブフォノニックメタマテリアルを実証する。さらに、完全フォノニックバンドギャップとプラズモニック共鳴構造を併せ持つ板状のマイクロスケール２次元プラズモニック・フォノニック結晶構造も実現する。
本年度は以下の研究を行った。
１．ダブルネガティブ板曲げ振動メタマテリアルの設計およびシミュレーション：市販のシミュレーションソフトであるCOMSOL MultiPhysicsを使って、メタマテリアルの分散関係や有効密度、有効弾性率を計算しながら、実際にマイクロマシニング技術で作製可能な試料の設計を行った。周波数領域の弾性波伝搬シミュレーションにおいて、この構造が特定の周波数帯において負の屈折を起こすことも確かめた。
２．板状プラズモニック・フォノニック結晶の設計：市販のシミュレーションソフトであるCOMSOL MultiPhysicsを使って、窒化シリコン膜の上にポリスチレン球が１層並んだ構造について、完全フォノニックバンドギャップを持ち、更に所有しているレーザー波長帯においてプラズモニック共鳴をもつ試料の設計を行った。
３．任意周波数時間分解イメージング測定系の構築・任意周波数測定に対応したフェムト秒レーザーを用いた時間分解弾性波イメージング測定系を構築した。板状の試料のイメージングも行った。
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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
１．ダブルネガティブ曲げ振動フォノニックメタマテリアルの研究については、当初予定していた複雑で３次元的な試料構造よりもより簡単に作れる、３層の板に単純に貫通穴を開けただけで達成できる試料構造を考案した。試料構造が簡単になることにより、試料作製における困難が解消され、今後より加速的に研究が進むと思われる。
２．完全フォノニックバンドギャップをもつプラズモニック・フォノニック結晶については、フォノニックバンドを持つ試料構造のパラメータ条件を明らかにした。プラズモニック共鳴の数値計算も当初使っていた有限要素法では短い波長帯については回折次数が多くなりすぎて計算ができないということが判明し、その問題の整理と解決に時間を費やしてしまったが、FDTD法で解決できる目途がついた。
３．イメージング実験についても、任意周波数を使ったGHz領域の板の曲げ振動波の測定を行っている。既にZero group velocityという現象の観察を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
試料の設計についてのシミュレーションの目途が概ね着いたので、今後は試料作製や測定を行う予定である。
曲げ振動波メタマテリアルについては、ナノテクノロジープラットフォームの装置を使って試料作製するための打合せを開始している。実際に試料作製や波の伝搬測定を行って出てきた問題点を解決するために、再度試料設計、試料作製、伝搬測定を行い、研究目的を達成する方策である。
プラズモニック・フォノニック結晶については、共同研究者に試料作製を依頼し、その特性を明らかにする実験や、センサーへの応用の実験を行っていく予定である。
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Report
(1results)
Research Products
(17results)
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[Presentation] Ultrafast laser imaging of acoustic wave propagation in microsphere-based metamaterial structures2017
Author(s)
P. H. Otsuka, S. Mezil, V. Gusev, O. Matsuda, M. Tomoda, T. Gian, N. Boechler, A. A. Maznev, N. Fang, and O. B. Wright
Organizer
META 2017 8th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics
Place of Presentation
Seoul, South Korea
Year and Date
2017-07-25
Related Report
Int'l Joint Research
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[Presentation] Watching waves confined in phononic cavities2016
Author(s)
Oliver Wright, Paul Otsuka, Sylvain Mezil, Osamu Matsuda, Motonobu Tomoda, Ryota Chinbe, Shogo Kaneko, Kenji Ishikawa, Kazuki Chonan, Yukihiro Tanaka, Sihan Kim, Heonsu Jeon, Thomas Dehoux, Masazumi Fujiwara, Shigeki Takeuchi, Istvan Veres, Sam H. Lee, and Vitalyi Gusev
Organizer
5th International Symposium on Laser-Ultrasonics and Advanced Sensing (LU2016)
Place of Presentation
Linz, Austria
Year and Date
2016-07-04
Related Report
Int'l Joint Research
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[Presentation] Surface acoustic mode imaging of a microsphere-based metamaterial2016
Author(s)
Paul Otsuka, Sylvain Mezil, Vitalyi Gusev, Osamu Matsuda, Motonobu Tomoda, Tian Gian, Nicholas Boechler, Alex A. Maznev, Nicholas Fang, Oliver B. Wright
Organizer
5th International Symposium on Laser-Ultrasonics and Advanced Sensing (LU2016)
Place of Presentation
Linz, Austria
Year and Date
2016-07-04
Related Report
Int'l Joint Research
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