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2018 年度 実績報告書

実空間操作によるトポロジカル状態発現の摂理探索と新規機能の創成

研究課題

研究課題/領域番号 17H02913
研究機関国立研究開発法人物質・材料研究機構

研究代表者

胡 暁  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, MANA主任研究者 (90238428)

研究分担者 宮崎 英樹  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (10262114)
苅宿 俊風  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, 主任研究員 (60711281)
深田 直樹  国立研究開発法人物質・材料研究機構, 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点, MANA主任研究者 (90302207)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
キーワードトポロジー / ナノフォトニクス / 誘電体 / LC回路 / マイクロストリップ / グラフェン
研究実績の概要

(1)蜂の巣構造に基づく誘電体トポロジカルフォトニック結晶(PhC)創成理論の原理実証実験に成功した。具体的には、アルミナ円柱のトポロジカルPhCとトポロジカル特性を持たない自明なPhCを作製し、二者の境界に沿ったトポロジカル電磁伝搬様式を測定することによって、代表者の理論で予言された擬スピン単一方向伝播特性、欠陥や鋭角経路による散乱を受けない強靭さを示した。これにより、半導体ナノフォトニクスにトポロジカル特性を新たに付与し、革新的光機能とデバイス開発への道を切り拓いた。研究論文はPhysical Review Letters誌に掲載された。
(2)トポロジカルLC回路を設計し、マイクロストリップ導波路における実装を通じてトポロジカル電磁伝播を実現した。具体的には、金属細線/誘電体薄膜/金属基板からなる構造において、蜂の巣模様を示す金属細線に線幅パターンを導入し、電磁渦を伴うトポロジカルマイクロ波伝搬の観測に初めて成功した。マイクロストリップは高周波導波路として携帯電話等多くの電子デバイスに使用されているので、本研究成果は高度情報化社会におけるマイクロ波・光伝播の優れた制御方法の開発に繋がると期待される。研究論文はNature Communications誌に掲載された。
(3)グラフェンナノ空孔アレーのパッチワークによるトポロジカル電子状態形成の理論構築に成功した。具体的には、グラフェンから6個のC原子を取り除いて得られる空孔の三角格子配列と蜂の巣格子配列では、電子バンドが異なるトポロジーを示すことを解明した。このため、両者の境界に沿って伝搬するトポロジカル電子状態が現れる。研究論文はPhysical Review B誌に掲載された。

現在までの達成度 (区分)
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

当初計画ではポスドク研究員を雇用し、実空間操作によるトポロジカル状態創成の理論研究を進める予定であった。該当現象に対する理解が、代表者のグループの研究も含めて、欧米諸国を始めとして世界規模で予想以上に発展した。そのため、研究計画にある一部の理論解析を行う必要がなくなった。

今後の研究の推進方策

予想より理論解析が進んでいるため、理論解析を担当するポスドク研究員雇用の替わりに、実験研究をより効率的にサポートできる数値計算及び結果の可視化に重点を置く。

  • 研究成果

    (23件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (5件) (うち国際共著 5件、 査読あり 5件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 15件、 招待講演 16件)

  • [国際共同研究] 蘇州大学(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      蘇州大学
  • [国際共同研究] 同済大学(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      同済大学
  • [雑誌論文] Visualization of a Unidirectional Electromagnetic Waveguide Using Topological Photonic Crystals Made of Dielectric Materials2018

    • 著者名/発表者名
      Yang Yuting、Xu Yun Fei、Xu Tao、Wang Hai-Xiao、Jiang Jian-Hua、Hu Xiao、Hang Zhi-Hong
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 120 ページ: 217401-1~7

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.120.217401

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Landau-Zener-Stuckelberg Interferometry for Majorana Qubit2018

    • 著者名/発表者名
      Wang Zhi、Huang Wen-Chao、Liang Qi-Feng、Hu Xiao
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 8 ページ: 1~8

    • DOI

      10.1038/s41598-018-26324-5

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Topological LC-circuits based on microstrips and observation of electromagnetic modes with orbital angular momentum2018

    • 著者名/発表者名
      Li Yuan、Sun Yong、Zhu Weiwei、Guo Zhiwei、Jiang Jun、Kariyado Toshikaze、Chen Hong、Hu Xiao
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 9 ページ: 1~7

    • DOI

      10.1038/s41467-018-07084-2

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Counterpropagating topological interface states in graphene patchwork structures with regular arrays of nanoholes2018

    • 著者名/発表者名
      Kariyado Toshikaze、Jiang Yong-Cheng、Yang Hongxin、Hu Xiao
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 98 ページ: 195416-1~9

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.98.195416

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Hole gas accumulation in Si/Ge core-shell and Si/Ge/Si core-double shell nanowires2018

    • 著者名/発表者名
      Zhang Xiaolong、Jevasuwan Wipakorn、Pradel Ken C.、Subramani Thiyagu、Takei Toshiaki、Fukata Naoki
    • 雑誌名

      Nanoscale

      巻: 10 ページ: 21062~21068

    • DOI

      10.1039/c8nr05590d

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Quest for Majorana Bound States in Topological Superconductors2019

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      KITS International Workshop on Majorana Modes in Topological Superconductors
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Photonic Topology as a New Horizon of Light2019

    • 著者名/発表者名
      胡暁
    • 学会等名
      レーザ学会学術講演会第39回年次大会シンポジウム「人工構造による光機能制御の新展開」
    • 招待講演
  • [学会発表] Theory and Outlook of Topological Photonics2019

    • 著者名/発表者名
      胡暁
    • 学会等名
      電磁メタマテリアル講演会(学振メタマテリアル第187委員会主催)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Topological Metamaterials towards Robust Quantum Computation2018

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      KITS Workshop on “Topological Matter & Quantum Computation
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Topological States Derived from Artificial Graphenes (Keynote)2018

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      EMN Conference 2018
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Artificial Graphene and Synthetic Topological States (Keynote)2018

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      Frontiers in Topological States in Physics, 4th WHU Summer Theory Institute
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Towards All-Dielectric Topological Photonics2018

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      Summer Topicals Meeting Series 2018 of IEEE Photonics Society
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Topological Electromagnetics with Time-Reversal Symmetry (Keynote)2018

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      PIERS 2018
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Manipulation of Chiral Edge States in Photonic Chern Insulators with Pseudospin2018

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      PIERS 2018
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Topological Circuitry and Novel Microwave Transportation2018

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      A3 Forum for Metamaterials
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Topological photonic insulator and related phenomena2018

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      JSAP-OSA Joint Symposia at 79th JSAP Annual Meetings
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Topological Photonics: a New Horizon of Light (Keynote)2018

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      International Conference on Emerging Advanced Nanomaterials (ICEAN) 2018
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Artificial Graphene and Synthetic Topology2018

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      KITS-AWP-Tsinghua-Riken Workshop “Highlights of Condensed Matter Physics”
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Topological Orbitronics in Superstructured Graphene2018

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      KITS Workshop on Dilute Magnetic Semiconductor: Chance and Challenge
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Si-Ge radial core-shell nanowires for high speed transistor channels2018

    • 著者名/発表者名
      Naoki Fukata
    • 学会等名
      E-MRS 2018 SPRING MEETING
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Selective doping and hole gas accumulation in core-shell nanowires using Si and Ge radial heterostructures2018

    • 著者名/発表者名
      Naoki Fukata
    • 学会等名
      TVS-2018
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2021-01-27  

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