周期構造を利用した光メタマテリアルの作製と物理

2014 年度 実績報告書

• 研究領域: 電磁メタマテリアル
• 研究課題/領域番号: 22109005
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 石原 照也 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (60168250)
• 研究分担者: 西村 直志 京都大学, 情報学研究科, 教授 (90127118) ; 小野田 勝 秋田大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80425727) ; 冨田 知志 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 助教 (90360594) ; 澤田 桂 独立行政法人理化学研究所, 放射光科学総合研究センター, 特別研究員 (40462692) ; 大野 誠吾 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 助教 (70435634) ; 新納 和樹 京都大学, 情報学研究科, 助教 (10728182) ; 松原 正和 東北大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (50450648)
• 研究期間 (年度): 2010-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: メタマテリアル / ベリー位相 / 磁気カイラル効果 / 光整流 / トポロジー最適化 / トポロジカル絶縁体 / マックスウェル応力 / シミュレーション

研究実績の概要

メタマテリアルにおける光起電力の起源を探るために、シミュレーションで得られた微視的な電磁場分布からマックスウェル応力を計算し、考察を行った。ナノポーラスゴールド（NPG）のｐ偏光励起の光起電力の符号には波長依存性があることを見出した。メタマテリアルを利用した光リソグラフィーを開発するために、エバネッセント電磁場分布を設計し、フォトレジストパターンへの転写を行った。
トポロジー最適化を用いたメタマテリアルの最適設計については基礎理論が完成し、開口部を有する金の薄膜の透過係数最大化、吸収最大化などの数値計算を行った。加えて、NPGのモデルを作成して横起電力のシミュレーションを行い、実験との定性的な一致を見た。
トポロジカル絶縁体界面における電子波束ダイナミクスに関する理論解析を踏まえ、多重ボルテックス光波束に関する生成可能性と安定性に関する研究を進めた。また、関連する課題として、界面モードの解析解が存在するトポロジカル絶縁体模型の探索や界面モード同士の混成に関するシミュレーションを行った。
班内の冨田知志、澤田桂と計画班（ア）の上田哲也はメタ分子を用いたマイクロ波領域での磁気カイラル効果の測定を行った。その結果、200mTの静磁場を加えると、共鳴的光学活性の周波数（約10GHz）で、表と裏の屈折率差にして10の-3乗から10の-2乗という巨大な磁気カイラル効果が得られた。理論的には異方性を 含めた理論と実験のよい一致を得た。また、右手/左手系複合線路におけるベリー位相を計算し、境界面の束縛状態との関係性を調べた。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Lifetime reduction of a quantum emitter with quasi-periodic metamaterials (2014)
  • 著者名/発表者名: Yuto Moritake, Kazuyuki Nakayama, Toshihiro Suzuki, Hiroyuki Kurosawa, Toshiyuki Kodama, Satoshi Tomita, Hisao Yanagi, Teruya Ishihara
  • 雑誌名: Physical Review B 巻: 90 ページ: 075146
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.90.075146
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] H行列演算を用いた2次元Helmholtz方程式の1周期境界値問題の高速直接解法について (2014)
  • 著者名/発表者名: 松本安弘, 新納和樹, 西村直志
  • 雑誌名: 計算数理工学論文集 巻: 14 ページ: 79-84
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 周期単位の一部に欠陥を有する領域における2次元Helmholtz方程式の境界値問題の数値解法について (2014)
  • 著者名/発表者名: 野瀬大一郎, 新納和樹, 西村直志
  • 雑誌名: 計算数理工学論文集 巻: 14 ページ: 85-90
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 2次元Helmholtz 方程式の周期境界値問題に現れる固有値問題に対するSakurai-Sugiura 法と周期多重極法を用いた数値計算 (2014)
  • 著者名/発表者名: 野瀬大一郎，西村直志
  • 雑誌名: 日本応用数理学会論文誌 巻: 24 ページ: 185-201
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Direct Observation of Magnetochiral Effects through a Single Metamolecule in Microwave Regions (2014)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Tomita, Kei Sawada, Andrey Porokhnyuk, Tetsuya Ueda
  • 雑誌名: Physical Review Letters 巻: 113 ページ: 235501
  • DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.235501
  • 査読あり
• [学会発表] メタマテリアルで光を操る (招待講演) (2015)
  • 著者名/発表者名: 冨田知志
  • 学会等名: 平成27年 電気学会 全国大会 シンポジウム
  • 発表場所: 東京都市大学・世田谷キャンパス（東京都世田谷区）
  • 年月日: 2015-03-25
  • 招待講演
• [学会発表] 対称性を制御したメタマテリアルにおける2次の非線形光学応答 (2015)
  • 著者名/発表者名: 中島正人，石原照也，松原正和
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 早稲田大学（東京）
  • 年月日: 2015-03-23
• [学会発表] The origin of opposite voltage induced by obliquely-incident p-polarized light in nanoporous gold (2015)
  • 著者名/発表者名: Marjan Akbari，Teruya Ishihara
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 早稲田大学（東京）
  • 年月日: 2015-03-21
• [学会発表] プラズモニックなカイラルメタ表面からのテラヘルツ波放射 (2015)
  • 著者名/発表者名: 松井崇浩、浅井基希、田所譲、高野恵介、中嶋誠、萩行正憲、岩見健太郎、冨田知志、柳久雄
  • 学会等名: 日本物理学会 第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学（東京都新宿区）
  • 年月日: 2015-03-21
• [学会発表] カイラルメタ原子を用いた光のシュテルン・ゲルラッハ実験 (2015)
  • 著者名/発表者名: 冨田知志、澤田桂、永井翔太郎、上田哲也、真田篤志
  • 学会等名: 日本物理学会 第70回年次大会
  • 発表場所: 早稲田大学（東京都新宿区）
  • 年月日: 2015-03-21
• [学会発表] Linear and nonlinear optical properties of nano-porous gold (2014)
  • 著者名/発表者名: Teruya Ishihara & Marjan Akbari
  • 学会等名: 4th Japan-Korea Metamaterial Forum
  • 発表場所: Osaka University（Toyonaka）
  • 年月日: 2014-12-24
• [学会発表] Meta-molecules with chirality and magnetism (invited) (2014)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Tomita
  • 学会等名: 2014 THAILAND-JAPAN MICROWAVE (TJMW2014)
  • 発表場所: Bangkok (Thailand)
  • 年月日: 2014-11-28
  • 招待講演
• [学会発表] Berry phase theory of transmission line (2014)
  • 著者名/発表者名: Kei Sawada
  • 学会等名: 2014 Thailand-Japan Microwave (TJMW2014)
  • 発表場所: King Mongkut's Institute of Technology Ladkrabang (KMITL), Bangkok, Thailand
  • 年月日: 2014-11-28
• [学会発表] Meta-molecules with chirality and magnetism for microwaves (invited) (2014)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Tomita
  • 学会等名: 2014 VIETNAM-JAPAN MICROWAVE (VJMW2014)
  • 発表場所: Hanoi (Vietnam)
  • 年月日: 2014-11-25
  • 招待講演
• [学会発表] Geometrical properties of electromagnetic waves in CRLH metamaterials (2014)
  • 著者名/発表者名: Kei Sawada
  • 学会等名: Vietnam-Japan Microwave 2014 (VJMW2014), VNU-University of Engineering and Technology
  • 発表場所: Hanoi, Vietnam
  • 年月日: 2014-11-25
• [学会発表] 2次元Helmholtz 方程式の周期境界値問題における高速直接解法について (2014)
  • 著者名/発表者名: 松本安弘, ◯新納和樹, 西村直志
  • 学会等名: 日本機械学会第27回計算力学講演会
  • 発表場所: 岩手大学工学部（岩手県盛岡市）
  • 年月日: 2014-11-24
• [学会発表] 低周波問題に対応したMaxwell方程式に対する境界積分方程式の離散化について (2014)
  • 著者名/発表者名: ◯新納和樹, 西村直志
  • 学会等名: 日本機械学会第27回計算力学講演会
  • 発表場所: 岩手大学工学部（岩手県盛岡市）
  • 年月日: 2014-11-24
• [学会発表] 周期単位の一部に欠陥を有する構造による波動散乱問題の高速解法 (2014)
  • 著者名/発表者名: 野瀬大一郎, 新納和樹, ◯西村直志
  • 学会等名: 日本機械学会第27回計算力学講演会
  • 発表場所: 岩手大学工学部（岩手県盛岡市）
  • 年月日: 2014-11-23
• [学会発表] カイラリティと磁性を併せ持つメタ分子によるマイクロ波領域での磁気カイラル効果 (2014)
  • 著者名/発表者名: 冨田知志、澤田桂、ポロフニュク・アンドレイ、上田哲也
  • 学会等名: 第75回 応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学（北海道札幌市）
  • 年月日: 2014-09-19
• [学会発表] CRLHメタマテリアルにおけるベリー位相 (2014)
  • 著者名/発表者名: 澤田桂
  • 学会等名: 電気情報通信学会マイクロ波研究会
  • 発表場所: 東京工業大学(東京都目黒区）
  • 年月日: 2014-09-18
• [学会発表] 三叉路型フォトニック結晶導波路における光渦および界面モードの伝搬特性に関する数値解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 種田敏大, 小野田勝
  • 学会等名: 日本物理学会 2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学春日井キャンパス（愛知県春日井市）
  • 年月日: 2014-09-10
• [学会発表] 新奇なトポロジカル光波束生成に向けたヘリカル表面モードの多様性に関する理論解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小野田勝
  • 学会等名: 日本物理学会 2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学春日井キャンパス（愛知県春日井市）
  • 年月日: 2014-09-10
• [学会発表] 非対称単位胞をもつメタ表面における光整流効果の偏光状態依存性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 白強，平山彬，松原正和，○石原照也
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 中部大学（春日井市）
  • 年月日: 2014-09-07
• [学会発表] 表面プラズモン共鳴干渉リソグラフィーを用いたメタマテリアルの作製と評価 (2014)
  • 著者名/発表者名: 平山彬，才川瑞樹，中島正人，石原照也
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 中部大学（春日井市）
  • 年月日: 2014-09-07
• [学会発表] Wavelength and incident angle dependencies of photo induced voltage in nanoporous gold (2014)
  • 著者名/発表者名: MARJAN AKBARI，MIZUKI SAIKAWA，MASAKAZU MATSUBARA，KAZUKI NIINO，NAOSHI NISHIMURA，TERUYA ISHIHARA
  • 学会等名: 日本物理学会
  • 発表場所: 中部大学（春日井市）
  • 年月日: 2014-09-07
• [学会発表] フェライトと銅カイラル構造を組み合わせたメタ分子による磁気カイラル効果 (2014)
  • 著者名/発表者名: 冨田知志、澤田桂、ポロフニュク・アンドレイ、上田哲也
  • 学会等名: 第38回 日本磁気学会学術講演会
  • 発表場所: 慶應義塾大学（神奈川県横浜市）
  • 年月日: 2014-09-02
• [学会発表] 次世代コヒーレンス技術のためのX線光学理論 (2014)
  • 著者名/発表者名: 澤田桂
  • 学会等名: 第6回日本放射光学会若手研究会
  • 発表場所: SACLA（兵庫県佐用郡）
  • 年月日: 2014-08-23
• [学会発表] 三叉路型フォトニック結晶導波路における界面モードの影響 (2014)
  • 著者名/発表者名: 種田敏大, 小野田勝
  • 学会等名: 平成26年度電気関係学会東北支部連合大会
  • 発表場所: 山形大学工学部（山形県米沢市）
  • 年月日: 2014-08-22
• [学会発表] トポロジカル絶縁体格子模型におけるヘリカル表面状態の解析解 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小野田勝
  • 学会等名: 平成26年度電気関係学会東北支部連合大会
  • 発表場所: 山形大学工学部（山形県米沢市）
  • 年月日: 2014-08-22
• [学会発表] BIE solutions of scattering problems for the Helmholtz equation in almost periodic domains (invited) (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Nishimura
  • 学会等名: Workshop on BEM
  • 発表場所: Northwestern Polytechnical University, Xian, China
  • 年月日: 2014-08-11
  • 招待講演
• [学会発表] 磁気カイラルメタ分子の電磁応答 (2014)
  • 著者名/発表者名: 澤田桂、冨田知志、アンドレイ・ポロフニュク、上田哲也
  • 学会等名: 第4回光科学異分野横断萌芽研究
  • 発表場所: 小川屋（岐阜県下呂市）
  • 年月日: 2014-08-06
• [学会発表] Microwave Responses of Meta-Molecules with Magnetism and Chirality (invited) (2014)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Tomita
  • 学会等名: Moscow International Symposium on Magnetism 2014 (MISM-2014)
  • 発表場所: Moscow (Russia)
  • 年月日: 2014-07-03
  • 招待講演
• [学会発表] Meta-Molecules with Chirality and Magnetism (invited) (2014)
  • 著者名/発表者名: Satoshi Tomita
  • 学会等名: International Conference on Computational and Experimental Engineering and Sciences 2014 (ICCES'14)
  • 発表場所: Changwon (Korea)
  • 年月日: 2014-06-13
  • 招待講演
• [学会発表] Geometrical properties of electromagnetic waves in metamaterials (invited) (2014)
  • 著者名/発表者名: Kei Sawada
  • 学会等名: International Conference on Computational & Experimental Engineering and Sciences (ICCES'14)
  • 発表場所: Changwon, Korea
  • 年月日: 2014-06-13
  • 招待講演
• [学会発表] 周期単位の一部に欠陥を有する散乱体による波動散乱問題の解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: ◯野瀬大一郎, 西村直志
  • 学会等名: 第19回計算工学講演会
  • 発表場所: 広島国際会議場（広島県広島市）
  • 年月日: 2014-06-11
• [学会発表] Hdiv 内積を用いた電磁波動散乱問題に対する境界要素法について (2014)
  • 著者名/発表者名: ◯新納和樹, 西村直志
  • 学会等名: 第19回計算工学講演会
  • 発表場所: 広島国際会議場（広島県広島市）
  • 年月日: 2014-06-11
• [学会発表] 2次元Helmholtz 方程式の1周期境界値問題に対する高速直接解法について (2014)
  • 著者名/発表者名: 松本安弘, 西村直志, ◯新納和樹
  • 学会等名: 第19回計算工学講演会
  • 発表場所: 広島国際会議場（広島県広島市）
  • 年月日: 2014-06-11
• [学会発表] Numerical analysis on the possibility and stability of a new ype of topological wave-packet (2014)
  • 著者名/発表者名: Masaru Onoda
  • 学会等名: META’14 - Singapore The 5th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics
  • 発表場所: Nanyang Technological University （Singapore, Shingapore)）
  • 年月日: 2014-05-23
• [学会発表] Geometrical aspects of optical waves in phase space (invited) (2014)
  • 著者名/発表者名: Kei Sawada
  • 学会等名: The 5th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics (META14)
  • 発表場所: Nangyang Technological University, Singapore
  • 年月日: 2014-05-23
  • 招待講演
• [学会発表] Switchable Power Flow at Magnetic Resonance in Metamaterials (2014)
  • 著者名/発表者名: Qiang BAI and Teruya ISHIHARA
  • 学会等名: 11th International Conference on Photonic and Electromagnetic Crystals (PECS XI)
  • 発表場所: Fudan University, Shangai, CHINA
  • 年月日: 2014-05-15
• [学会発表] OPTICAL RECTIFICATION IN NANOPOROUS GOLD (2014)
  • 著者名/発表者名: Marjan AKBARI and Teruya ISHIHARA
  • 学会等名: 11th International Conference on Photonic and Electromagnetic Crystals (PECS XI)
  • 発表場所: Fudan University, Shangai, CHINA
  • 年月日: 2014-05-13