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2019 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 / レーザー / VCSEL / 蜂の巣格子
研究実績の概要

(1) 蜂の巣型フォトニック結晶(PhC)に由来する新規な光閉じ込め現象を発見し、微小で高品質な垂直共振器面発光レーザー(VCSEL)の作製に成功した。具体的には、発光性半導体InGaAsPでできた蜂の巣型トポロジカルPhCの周辺を、同じ物質で、構造が僅かに違うトポロジカル特性を示さない自明なPhCで囲み、その境界で光が反射され、中心部に閉じ込められた光モードが増幅する現象を発見した。このデバイスを用いた室温下での光照射レーザー発振は、微小なデバイスにもかかわらず、優れた垂直指向性を示す。さらに発光閾値やサイドモード抑制比などのレーザー特性の指標がIEEEやVCSEL等の応用規格を満たすことを確認した。本研究成果は通信、センサー、加工、DNA操作等の革新的技術開発の要になっている優れたレーザー光源の開発の新しい指針を与えている。該当研究論文はNature Nanotechnology誌に掲載された。

(2) 中心軸が蜂の巣格子を組む誘電体長方体でできたPhCにおけるトポロジカルフォトニクス現象を解明した。具体的には、有効強束縛模型で得られたバンド構造のWilson loopの解析から、長方体の長辺が蜂の巣格子六角形単位胞の中心に指している場合、fragile topologyと呼ばれるトポロジカル状態が現れることを明らかにした。また、長方体をそれぞれの中心軸周りに90度回転した場合、トポロジカル的に自明なPhCが得られることも突き止めた。この特性を利用して、誘電体長方体の回転による書き換え可能なトポロジカル導波路の構築を提案した。該当研究論文はNanophotonics誌での掲載が決まった。

現在までの達成度 (段落)

令和元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

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

  • 研究成果

    (24件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 5件、 査読あり 9件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (12件) (うち国際学会 12件、 招待講演 12件) 産業財産権 (1件) 学会・シンポジウム開催 (1件)

  • [国際共同研究] 北京大学(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      北京大学
  • [雑誌論文] ハニカム格子を利用したトポロジカル状態創成2020

    • 著者名/発表者名
      苅宿俊風、胡暁
    • 雑誌名

      固体物理

      巻: 55 ページ: 185~193

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Reconfigurable Topological Waveguide Based on Honeycomb Lattice of Dielectric Cuboids2020

    • 著者名/発表者名
      Wang Xing-Xiang、 Hu Xiao
    • 雑誌名

      Nanophotonics

      巻: - ページ: -

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Photonic Topological States in a Two-Dimensional Gyrotropic Photonic Crystal2019

    • 著者名/発表者名
      Sun Xiao-Chen、He Cheng、Liu Xiao-Ping、Zou Yi、Lu Ming-Hui、Hu Xiao、Chen Yan-Feng
    • 雑誌名

      Crystals

      巻: 9 ページ: 137~137

    • DOI

      10.3390/cryst9030137

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] A high-performance topological bulk laser based on band-inversion-induced reflection2019

    • 著者名/発表者名
      Shao Zeng-Kai、Chen Hua-Zhou、Wang Suo、Mao Xin-Rui、Yang Zhen-Qian、Wang Shao-Lei、Wang Xing-Xiang、Hu Xiao、Ma Ren-Min
    • 雑誌名

      Nature Nanotechnology

      巻: 15 ページ: 67~72

    • DOI

      10.1038/s41565-019-0584-x

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Controlling Catalyst-Free Formation and Hole Gas Accumulation by Fabricating Si/Ge Core-Shell and Si/Ge/Si Core-Double Shell Nanowires2019

    • 著者名/発表者名
      Zhang Xiaolong、Jevasuwan Wipakorn、Sugimoto Yoshimasa、Fukata Naoki
    • 雑誌名

      ACS Nano

      巻: 13 ページ: 13403~13412

    • DOI

      10.1021/acsnano.9b06821

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Au-Sn Catalyzed Growth of Ge_(1-x)Sn_x Nanowires: Growth Direction, Crystallinity, and Sn Incorporation2019

    • 著者名/発表者名
      Sun Yong-Lie、Matsumura Ryo、Jevasuwan Wipakorn、Fukata Naoki
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 19 ページ: 6270~6277

    • DOI

      DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b02395

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Single grain growth of Si thin film on insulating substrate by limited region aluminum induced crystallization2019

    • 著者名/発表者名
      Matsumura Ryo、Wang Yunfan、Jevasuwan Wipakorn、Fukata Naoki
    • 雑誌名

      Materials Letters

      巻: 252 ページ: 100~102

    • DOI

      10.1016/j.matlet.2019.05.113

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] フォトニックトポロジーが拓く光の新しい地平線2019

    • 著者名/発表者名
      胡暁
    • 雑誌名

      レーザー研究

      巻: 47 ページ: 346~350

    • 査読あり
  • [雑誌論文] フォトニックトポロジー:グラフェンと電磁波の邂逅2019

    • 著者名/発表者名
      胡暁
    • 雑誌名

      電子情報通信学会誌

      巻: 102 ページ: 889~896

    • 査読あり
  • [学会発表] Topological Bulk Laser2020

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      International Workshop "Variety and universality of bulk-edge correspondence in topological phases"
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Artificial Graphene and Synthetic Topology for Photons and Electrons2019

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      CECAM Workshop on “Condensed Matter Analogies in Mechanics, Optics and Cold Atoms”
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Topological Josephson Plasma in Honeycomb Josephson Junction Array2019

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      17th International Workshop on Vortex Matter in Superconductors
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Topological LC Circuit (Keynote)2019

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      PIERS 2019
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Topological LC Circuit and its Realization in Microstrip Transmission Lines2019

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      International Workshop on Topological Photonics and Beyond
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Topological Photonic States in Artificial Graphenes2019

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      4th International Conference on Metamaterials and Nanophotonics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Topological Photonic Metamaterials with Honeycomb Structure2019

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      10th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics (META2019)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Topological microstrip and microwaves with OAM2019

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      SPIE Optics and Photonics: Active Photonic Platforms XI
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Topological nodal-line state in silicon fcc photonic crystal2019

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      SPIE Optics and Photonics: Plasmonics: Design, Materials, Fabrication, Characterization, and Applications XVII
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Superstructured Graphene towards Topological Orbitronics (Keynote)2019

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      SPIE Quantum Science and Technology: Spintronics XII
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Topology and Functionality in Graphene and Artificial Graphenes2019

    • 著者名/発表者名
      Xiao Hu
    • 学会等名
      International Workshop “Topology: the new horizon of materials science and nanophotonics”
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Control of impurity doping in core-shell nanowires using Si and Ge radial heterostructures2019

    • 著者名/発表者名
      Naoki Fukata
    • 学会等名
      ICDS-30
    • 国際学会 / 招待講演
  • [産業財産権] トポロジカル光回路2019

    • 発明者名
      雨宮智宏、齋藤孝一、各務響、岡田祥、古月暁
    • 権利者名
      物質・材料研究機構/東京工業大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2019‐151863
  • [学会・シンポジウム開催] International Workshop Topology: the New Horizon of Materials Science and Nanophotonics2019

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公開日: 2021-01-27  

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