| 研究課題/領域番号 |
21K18877
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| 研究種目 |
挑戦的研究(萌芽)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
中区分28:ナノマイクロ科学およびその関連分野
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| 研究機関 | 岡山大学 |
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研究代表者 |
鶴田 健二 岡山大学, 自然科学学域, 教授 (00304329)
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| 研究分担者 |
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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| 研究期間 (年度) |
2021-07-09 – 2023-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2022年度: 3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)
2021年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
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| キーワード | 音響トポロジカル絶縁体 / テラヘルツ弾性波 / 第一原理フォノン解析 / 時間依存密度汎関数法 / 時間分解電子線回折実験 / 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 / 人工ニューラルネット分子動力学 / 時間依存密度汎関数分子動力学シミュレーション |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では，近年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，Beyond5G時代の超高周波弾性波デバイス実現に向けた設計と実証を目指す。波動現象においてトポロジーは不変量の一つであり，界面・表面において不純物や構造乱れの影響を受けない“トポロジーに保護されたエッジモード”が発現する。本研究では，弾性波のトポロジカルエッジモードを励起・制御するナノ構造を理論設計し，第一原理/分子動力学シミュレーション，電子線回折実験により実証する。さらに，光励起を介した新しい制御法の可能性も追及する。
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| 研究成果の概要 |
本研究では，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時代の超高周波弾性波デバイスの動作原理実証を目指し，原子レベルのトポロジカル相界面を探索，ボロンナイトライド表面のグラフェンに粒界を導入することでTHz帯でのトポロジカル導波路実現の可能性を示した。
また，カーボンナノチューブとボロンナイトライドチューブのヘテロ結合の光励起状態における原子ダイナミクスについて，超高速時間分解電子線回折法と時間依存密度汎関数法とを組み合わせて調べ，1ピコ秒程度の時間内での電荷移動と，それに伴ってフォノン輸送が誘起がされることを見出した。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
Beyond 5G/6Gが社会実装されるには，THz帯で動作するナノスケール弾性波デバイスの設計法確立が喫緊の課題である。しかし，弾性波デバイスをTHz帯まで引き上げることは，熱的な分子振動の領域とも重なり，既存の概念に基づく設計のみでは，実現は難しい。
一方，トポロジカル絶縁体理論を援用し，フォノンの“トポロジーに保護されたエッジ状態”が発現する結晶粒界構造や人工周期構造を設計できれば，この問題を一気に解決する可能性がある。本研究は，ナノスケールのトポロジカル・フォノニクスの学理構築，さらに電子励起と組み合わせたスイッチング機能の可能性を探索した他に例を見ない取り組みである。
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