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

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 16H03997
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 友田 基信 北海道大学, 工学研究院, 助教 (30344485)
• 研究分担者: 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)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• キーワード: 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

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

研究成果

• [国際共同研究] Universite du Maine(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Universite du Maine
• [国際共同研究] Northwestern University(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Northwestern University
• [雑誌論文] Elucidating gigahertz acoustic modulation of extraordinary optical transmission through a two-dimensional array of nano-holes (2017)
  • 著者名/発表者名: R. Ulbricht, H. Sakuma, Y. Imade, P. H. Otsuka, M. Tomoda, O. Matsuda, H. Kim, G.-W. Park, and O. B. Wright
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 巻: 110 ページ: -91910-1-5
  • DOI: 10.1063/1.4977430
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Extraordinary transmission of gigahertz surface acoustic waves (2016)
  • 著者名/発表者名: S. Mezil, K. Chonan, P. H. Otsuka, M. Tomoda, O. Matsuda, S. H. Lee, and O. B. Wright
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 6 ページ: 33380
  • DOI: 10.1038/srep33380
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] Ultrafast laser imaging of acoustic wave propagation in microsphere-based metamaterial structures (2017)
  • 著者名/発表者名: P. H. Otsuka, S. Mezil, V. Gusev, O. Matsuda, M. Tomoda, T. Gian, N. Boechler, A. A. Maznev, N. Fang, and O. B. Wright
  • 学会等名: META 2017 8th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics
  • 発表場所: Seoul, South Korea
  • 年月日: 2017-07-25 – 2017-07-28
  • 国際学会
• [学会発表] Design of a double-negative flexural elastic metamaterial (2017)
  • 著者名/発表者名: M. Tomoda, K. Inagagaki, V. E. Gusev, O. Matsuda, and O. B. Wright
  • 学会等名: META 2017 8th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics
  • 発表場所: Seoul, South Korea
  • 年月日: 2017-07-25 – 2017-07-28
  • 国際学会
• [学会発表] Imaging gigahertz surface acoustic waves on metamaterials (2017)
  • 著者名/発表者名: O. B. Wright
  • 学会等名: Colloquium CMOI-FLUVISU 2017
  • 発表場所: Le Mans, France
  • 年月日: 2017-03-20 – 2017-03-24
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 負の有効密度および負の有効体積弾性率をもつ板の曲げ振動波の音響メタマテリアル (2017)
  • 著者名/発表者名: 稲垣敬介、友田基信、Vitalyi Gusev、松田理、Oliver B. Wright
  • 学会等名: 第64回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: パシフィコ横浜（横浜市）
  • 年月日: 2017-03-14 – 2017-03-14
• [学会発表] Watching gigahertz acoustic waves confined in cavities (2016)
  • 著者名/発表者名: O. B Wright
  • 学会等名: th Joint Meeting of the Acoustical Society of America and Acoustical Society of Japan
  • 発表場所: Honolulu, Hawaii, USA
  • 年月日: 2016-11-28 – 2016-12-02
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] GHz extraordinary acoustic transmission on bulk waves through nanostructures (2016)
  • 著者名/発表者名: Hiroya Tozawa, Motonobu Tomoda, Paul Otsuka, Sylvain Mezil, Osamu Matsuda, Istvan A. Veres and Oliver B. Wright
  • 学会等名: The 37th Symposium on Ultrasonic Electronics (USE2016)
  • 発表場所: Pusan, South Korea
  • 年月日: 2016-11-16 – 2016-11-18
  • 国際学会
• [学会発表] Imaging surface acousitc wave propagation on crystal spheres (2016)
  • 著者名/発表者名: P. H. Otsuka, O. Matsuda, M. Tomoda, Istvan Veres, and O. B. Wright
  • 学会等名: The 37th Symposium on Ultrasonic Electronics (USE2016)
  • 発表場所: Pusan, South Korea
  • 年月日: 2016-11-16 – 2016-11-18
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrafast acoustic modulation of a split-ring-resonator metamaterial (2016)
  • 著者名/発表者名: Yuta Imade, Ronald Ulbricht, Motonobu Tomoda, Osamu Matsuda, Gediminas Seniutinas, Saulius Juodkazis, and Oliver B. Wright
  • 学会等名: 5th International Symposium on Laser-Ultrasonics and Advanced Sensing (LU2016)
  • 発表場所: Linz, Austria
  • 年月日: 2016-07-04 – 2016-07-08
  • 国際学会
• [学会発表] Watching waves confined in phononic cavities (2016)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 5th International Symposium on Laser-Ultrasonics and Advanced Sensing (LU2016)
  • 発表場所: Linz, Austria
  • 年月日: 2016-07-04 – 2016-07-08
  • 国際学会
• [学会発表] Time-resolved two dimensional imaging of gigahertz surface acoustic waves at arbitrary frequencies with an asynchronous pulsed-optical probing (2016)
  • 著者名/発表者名: Osamy Matsuda, Hirofumi Shono, Suhn Kato, Shogo Kaneko, Sylvain Mezil, Motonobu Tomoda and Oliver B. Wright
  • 学会等名: 5th International Symposium on Laser-Ultrasonics and Advanced Sensing (LU2016)
  • 発表場所: Linz, Austria
  • 年月日: 2016-07-04 – 2016-07-08
  • 国際学会
• [学会発表] Surface acoustic mode imaging of a microsphere-based metamaterial (2016)
  • 著者名/発表者名: Paul Otsuka, Sylvain Mezil, Vitalyi Gusev, Osamu Matsuda, Motonobu Tomoda, Tian Gian, Nicholas Boechler, Alex A. Maznev, Nicholas Fang, Oliver B. Wright
  • 学会等名: 5th International Symposium on Laser-Ultrasonics and Advanced Sensing (LU2016)
  • 発表場所: Linz, Austria
  • 年月日: 2016-07-04 – 2016-07-08
  • 国際学会
• [備考] Applied Solid State Physics Laboratory
  • URL: http://kino-ap.eng.hokudai.ac.jp/index.html
• [備考] 北海道大学量子機能工学研究室
  • URL: http://kino-ap.eng.hokudai.ac.jp/j-index.html