| 研究課題/領域番号 |
21H01835
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分30020:光工学および光量子科学関連
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| 研究機関 | 東北大学 (2023)
北海道大学 (2021-2022) |
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研究代表者 |
小野 円佳 東北大学, 工学研究科, 教授 (20865224)
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| 研究分担者 |
小原 真司 国立研究開発法人物質・材料研究機構, マテリアル基盤研究センター, グループリーダー (90360833)
藤岡 正弥 北海道大学, 電子科学研究所, 助教 (40637740)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円)
2023年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2022年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2021年度: 13,520千円 (直接経費: 10,400千円、間接経費: 3,120千円)
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| キーワード | 量子暗号通信 / 光ファイバ / シリカガラス / レイリー散乱 / 超低損失 / 究極透明ガラス / 高温高圧凍結 / 空隙構造 / 構造揺らぎ / トポロジー / ガラス / 圧力 / 光量子通信 / 低光損失 / 高温高圧処理 / 光通信ファイバ / 高温高圧 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
量子暗号通信は通常の光増幅が許されないため、その普及には損失の低い通信経路が不可欠である。安定した通信の実現には有線通信が好ましいが、これを担う光通信ファイバの散乱損失は30年余下げ止まっていた。これに対して申請者は、光通信ファイバのコア部材であるシリカガラスの、原子のない部分の構造（空隙構造）に注目し、圧力を印加してこの空隙を縮小すると、光損失が現行の半分以下に低減できることを見出した。また、計算により更に高圧下で光損失をもっと低減できると予測した。本研究ではこの予測に基づき高温高圧凍結ガラスを合成し、究極の透明ガラスを実証する。更に、ファイバ化が可能な究極透明ガラスの材料創成に挑む。
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| 研究成果の概要 |
シリカガラスの光学的透明性は,溶融温度で高圧圧縮することによって著しく向上する.
本研究を行う前までは圧力の範囲が0.2GPaまでしか実験的に検討されていなかった.本研究ではこの圧力範囲を0.98GPaまで広げ,レイリー散乱以外に,密度,屈折率,高エネルギーX線散乱,熱伝導率,膨張係数などのさまざまな物性測定に成功した.その結果,高圧凍結シリカガラスでは密度や屈折率は高圧ほど単調増加するが0.8GPa付近で構造揺らぎとレイリー散乱が極小値となることがわかった.分子動力学シミュレーションを元にした計算でX線散乱の構造因子がよく再現された.散乱を抑制するガラス構造のモデル化に成功した.
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
人工知能とセンシングによるスマート社会が大きく発展している.端末やデータセンタ間を往来する通信容量は急増し,エキサバイトを優に超えている.また,安全な通信を保証する量子暗号は原理的に増幅できないため,長距離通信に適用するためには超透明通信媒体が必須となる.本研究で目的とし,明らかにした超透明シリカガラスの広範囲の圧力依存性は,これらの課題を解決する超透明シリカガラスコアファイバを実現するための材料開発の工程で欠かすことのできない社会的な意義の大きいものである.ガラスの光散乱損失が0.8 GPa付近で極小になり,この時の原子構造が明確化されたことでファイバ化で目指すべき構造が明らかとなった.
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