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2019 年度 実績報告書

Development and quantitative interpretation of acoustic and phoxonic metamaterial devices from kHz to GHz frequencies

研究課題

研究課題/領域番号 19H05619
研究機関北海道大学

研究代表者

O・B Wright  北海道大学, 工学研究院, 教授 (90281790)

研究分担者 松田 理  北海道大学, 工学研究院, 准教授 (30239024)
友田 基信  北海道大学, 工学研究院, 助教 (30344485)
野村 政宏  東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (10466857)
研究期間 (年度) 2019-06-26 – 2022-03-31
キーワードsound / metamaterials / phonon / electromagnetic waves / plasmon / metasurfaces
研究実績の概要

Our group is specialized in acoustic metamaterials and ultrafast phononics from audio to GHz frequencies. In particular, we have experience in picosecond ultrasonics and plasmonics in nanostructures, plasphonics, acoustic metamaterials, surface acoustic wave visualization with ultrashort optical pulses, ultrafast electronic and thermal diffusion, and nanoscale phonon detection using atomic force microscopy.
Research highlights have been as follows. First demonstration of: 1) surface acoustic wave real time imaging on solids, 2) interferometic detection of ultrafast surface motion of solids, 3) surface wave real time imaging on phononic crystals, 4) picosecond echo detection on semicondutor quantum wells, 5) picosecond shear phonon pulse detection in solids, 6) picosecond tracking of phonon pulses in nanostructures, 7) giant extraordinary transmission of acoustic waves in zero-mass metamaterials, 8) realisation of efficient air-to-water acoustic transmission, and demonstration of extraordinary transmission bulk longitudinal waves in solids.

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

1. Metamaterial-based acoustic microscopy: We have constructed scanning extraordinary-transmission-based acoustic microscopes for deep sub-wavelength imaging consisting of a loudspeaker placed in a tapered tube closed with a polyethylene tensioned membrane of diameter 1 cm. We have made test images for two types of object, a cm-sized wooden cross and a cm-sized rubber pad, at the resonance frequency of 1340 Hz.
2. Metasurface for air-water acoustic transmission: We have fabricated and measured an efficient metasurface from masses and springs over an area of 15 cm x15 cm, allowing enhanced transmission from water to air or from solid to air. So far we have tested the case of transmission from acrylic to air, and demonstrated that the principle works as expected
3. Metapillars and metaplates for broadband multimode vibration isolation: Simulations and experiments in single-material metabeam and metarods have been carried out and the principle of a perfect-bandgap metabeam (rectangular cross-section) and metarod demonstrated
4. Flexural metaplates: We have simulated metaplates with square- or triangular-lattice spirally-arranged slits and discovered both negative refraction and phonon focusing for both in-plane shear and symmetric plate (Lamb) waves with prism and block samples at GHz frequencies.
5. Phoxonic metamaterials for new physics and applications: As a first step we have designed a new two-dimensional GHz acoustic metasurface which should have single negative acoustic metamaterial properties and plasmonic/photonic crystal properties simultaneously.

今後の研究の推進方策

1. Metamaterial-based acoustic microscopy: We will conduct deep sub-wavelength imaging at higher frequencies up to the ~MHz range, for application to fabrics at first. We will attempt to demonstrate in-solid extraordinary acoustic transmission with 3D-printed arrays of rods connecting larger-diameter rods.
2. Metasurface for air-water acoustic transmission: We shall experiment on the fabrication of a water-air acoustic metasurface, and explore sensor applications of our air-solid version.
3. Metapillars and metaplates for broadband multimode vibration isolation: We shall fabricate, model and optimize rubber-made versions with ~10 Hz low-frequency blocking abilities. Multiple-resonator-frequency wide-band versions will be designed.
4. Flexural metaplates: We will focus on metaplates that work with symmetric Lamb waves that show negative refraction. We will fabricate and model 10 kHz-1 GHz structures in the form of blocks and prisms, and image their single- or double-negative (DNG) metamaterial behaviour in the frequency or time domains with optical techniques, characterizing their acoustic dispersion.
5. Phoxonic metamaterials for new physics and applications: We will use of a plasmonic/photonic crystal together with a 2D GHz acoustic metamaterial at first and experiment with designs in the em microwave range.

  • 研究成果

    (22件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (14件) (うち国際学会 6件、 招待講演 9件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] Le Mans Universite/Tours University(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      Le Mans Universite/Tours University
  • [国際共同研究] Yonsei University(韓国)

    • 国名
      韓国
    • 外国機関名
      Yonsei University
  • [国際共同研究] Massachusetts Institute of Technology(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      Massachusetts Institute of Technology
  • [国際共同研究] Universita di Roma(イタリア)

    • 国名
      イタリア
    • 外国機関名
      Universita di Roma
  • [雑誌論文] Giant extraordinary transmission of acoustic waves through a nanowire2020

    • 著者名/発表者名
      Devaux T.、Tozawa H.、Otsuka P. H.、Mezil S.、Tomoda M.、Matsuda O.、Bok E.、Lee S. H.、Wright O. B.
    • 雑誌名

      Science Advances

      巻: 6 ページ: eaay8507-1~6

    • DOI

      10.1126/sciadv.aay8507

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 音響メタマテリアルの基礎原理2019

    • 著者名/発表者名
      Oliver B. Wright、松田理、友田基信
    • 雑誌名

      光学

      巻: 48 ページ: 488~496

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Perfect acoustic bandgap metabeam based on a quadruple-mode resonator array2019

    • 著者名/発表者名
      Fujita Kentaro、Tomoda Motonobu、Wright Oliver B.、Matsuda Osamu
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 115 ページ: 081905~081905

    • DOI

      10.1063/1.5117283

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] ウェーブマシンによる時間的な波動制御2020

    • 著者名/発表者名
      大宮 哲、友田 基信、猪野 真大、藤田 健太郎、松田 理、Wright Oliver B.
    • 学会等名
      第67回 応用物理学会秋季学術講演会、上智大学、3月12日~15日
  • [学会発表] Imaging GHz surface phonons on phononic crystals, acoustic metamaterials and microstructures2019

    • 著者名/発表者名
      Oliver B. Wright
    • 学会等名
      11th International Symposium on Ultrafast Surface Dynamics, Qiandao Lake, China, June 8-12
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ultrafast optoacoustic nanowire-to-nanowire surface acoustic wave excitation and detection2019

    • 著者名/発表者名
      Oliver B. Wright
    • 学会等名
      20th International Conference on Photoacoustic and Photothermal Phenomena (ICPPP20), Moscow, Russia, July 7-12
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 完全バンドギャップをもつ音響メタマテリアル梁の開発2019

    • 著者名/発表者名
      藤田 健太郎、友田基信、松田理、ライトオリバ
    • 学会等名
      電子情報通信学会 超音波研究会 7月29日、北海道大学
  • [学会発表] Development of a wave machine to model phononic crystals and elastic metamaterials2019

    • 著者名/発表者名
      Motonobu Tomoda, Mashahiro Ino, Osamu Matsuda, Oliver B. Wright
    • 学会等名
      Meta 2019: The 10th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics, Lisbon Portugal, Jul 23-26
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Development and demonstration of a wave machine to model phononic crystals and elastic metamaterials2019

    • 著者名/発表者名
      Motonobu Tomoda
    • 学会等名
      The 4th A3 Metamaterials Forum 2019, Sapporo, Aug. 21-24
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] The magic of acoustic metamaterials2019

    • 著者名/発表者名
      Oliver B. Wright
    • 学会等名
      Symposium on Parallels between acoustic and EM radiation in structured materials, Grasmere, UK, Oct. 28- 31
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] The magic of acoustic metamaterials2019

    • 著者名/発表者名
      Oliver B. Wright
    • 学会等名
      メタマテリアル第187委員会 2019年度第2回研究会、東京、2019年9月9日
    • 招待講演
  • [学会発表] Quantitative imaging of microstructures and strain in transparent media by time-domain Brillouin scattering2019

    • 著者名/発表者名
      Motonobu Tomoda, Akihisa Kubota, Akira Tooda, Hiroyuki Matsuo, Vitalyi Gusev, Roberto Li Voti, Osamu Matsuda, Oliver B. Wright
    • 学会等名
      2019 International Congress on Ultrasonics (ICU), Bruges, Belgium, Sept. 3-6
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] GHz弾性表面波を用いた超音波トモグラフィー2019

    • 著者名/発表者名
      武田 颯、Paul Otsuka、友田 基信、松田 理、Oliver B. Wright
    • 学会等名
      USE 2019 第40回 超音波エレクトロニクスの基礎と応用に関するシンポジウム、明治大学、11月25日~27日
  • [学会発表] 完全バンドギャップを有する音響メタマテリアルロッドの単一材料設計2019

    • 著者名/発表者名
      小笠原 央、藤田 健太郎、友田 基信、松田 理、Wright Oliver
    • 学会等名
      第80回 応用物理学会秋季学術講演会、北海道大学、9月18日~21日
  • [学会発表] ウェーブマシンによる波動伝搬制御の演示2019

    • 著者名/発表者名
      友田 基信、猪野 真大、大宮 哲、藤田 健太郎、松田 理、Wright Oliver
    • 学会等名
      第80回 応用物理学会秋季学術講演会、北海道大学、9月18日~21日
  • [学会発表] Two-dimensional Imaging of Zero-Group-Velocity Lamb Waves2019

    • 著者名/発表者名
      Oliver B. Wright、Qingnan Xie、Sylvain Mezil、Paul H. Otsuka、Motonobu Tomoda、Jerome Laurent、Zhonghua Chen、Osamu Matsuda
    • 学会等名
      第80回 応用物理学会秋季学術講演会、北海道大学、9月18日~21日
    • 招待講演
  • [学会発表] 2次元フォノニック結晶のGHz音響特性の任意周波数イメージング法を用いた解析2019

    • 著者名/発表者名
      松田 理、村本 裕貴、古賀 裕章、西田 浩紀、藤田 健太郎、友田 基信、ライト オリバー
    • 学会等名
      第80回 応用物理学会秋季学術講演会、北海道大学、9月18日~21日
    • 招待講演
  • [備考] 北海道大学 大学院工学院 応用物理学専攻 量子機能工学研究室 ホームページ

    • URL

      http://kino-ap.eng.hokudai.ac.jp/j-index.html

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公開日: 2021-01-27   更新日: 2022-12-28  

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