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領域について(研究組織)

研究組織

計画研究

計画研究は、試料の作製手法やその難易度の違いから、研究項目A01 電磁波領域(マイクロ波、テラヘルツ波)と、研究項目A02 光領域に分かれます。それぞれの研究項目は、3つの計画研究から成り立っています。

研究項目 A01電磁波 (マイクロ波、THz波) メタマテリアル
計画研究 ア「周期構造を利用したマイクロ波メタマテリアルの開発と応用」
研究代表者 真田 篤志(山口大学)
研究代表者の真田が提案した周期構造を利用した CRLH (composite right / left-handed) 理論は共振を用いないで負の有効誘電率と負の有効透磁率を同時に実現できるため、 現在主流となっている共振型のものに比べて本質的に広帯域かつ低損失な特性が得られ工学的にも期待されている。 本研究では、 このCRLH理論を核に、 久保の開発した実効媒質定数計算法および宇野の有限差分時間領域 (FDTD) 法によるメタマテリアルの効率的な大規模数値計算技術を用いて、世界的にも開発競争が激化している伝搬方向や偏波方向に依存しない3次元左手系メタマテリアルをはじめとする新規のマイクロ波メタマテリアルの開発を目指す。 同時に、 開発したメタマテリアルを無線通信やレーダー・センサー分野で用いられる各種マイクロ波デバイス応用へ展開する。 また、 堀井の先行する平面多層メタマテリアル設計を用いた超小型左手系デバイス、 および上田の開発した誘電体・磁性体材料物性を利用した非可逆デバイスの開発および応用化研究を推進する。
更に、 CRLH理論のテラヘルツ波領域および光領域への輸出を試みる。 マイクロ波領域より高いこれらの周波数領域では低損失化や広帯域化が最も深刻な課題であり、 CRLH理論はこれを解決するブレークスルー技術となる可能性がある。 特に、 計画研究イ、 エ、 及び、 カと連携し、 材料の物性を考慮した本理論の拡張および検証を行う。
計画研究 イ「構造共鳴を利用したテラヘルツ波メタマテリアルの作製と機能」
研究代表者 永井 正也(大阪大学)
マイクロ波及びテラヘルツ波領域では、光領域に比べて試料が作り易いため構造の自由度が大きく、また、誘電体、金属、半導体などバラエティあるメタマテリアル用素材を利用できる。 この特徴と、測定における本グループの高いテラヘルツ波技術(放射素子、検出素子、分光技術、イメージング技術、強磁場) を生かし、共鳴型のメタ原子を用いたメタマテリアルを設計・作製するとともに、 メタマテリアル特有の低次元テラヘルツ波伝播現象についての研究を行い、 デバイス応用のための基盤を確立する。
メタマテリアルの設計と作製では、萩行と宮嵜は TiO2 を代表とする高誘電率物質の立方体配列や微小球分散系、 金属メタ原子配列、 半導体アクティブ構造メタマテリアルなどの多様なメタマテリアルの設計と作製を行う。 3次元化に有利なランダム系メタマテリアルはこの系に実績のある宮丸を中心に研究する。 メタマテリアル特有の現象の発掘では、偏光変換現象の基礎となる低次元波伝播の様相を計画研究ウとともに追求する。 また、永井が有する高強度テラヘルツ波発生技術を用いて、非線形光学効果などの新現象の探索を行う。 実用面では、テラヘルツ波発生・検出素子において問題となっている、 フォノンの存在による放射強度・検出感度の低下をメタマテリアルにより抑制し、高効率・広帯域のテラヘルツ波放射素子・検出素子を実現する。
テラヘルツ波領域は設計・作製の自由度が高いため、構造上のいろいろな冒険が短期間で可能である。 この領域で実現された新しい構造、 現象を光やマイクロ波領域でのメタマテリアル作製に生かせるよう他の計画研究との相互交流を頻繁に行う。
計画研究 ウ「構造共鳴を利用したマイクロ波の偏光及び伝播制御」
研究代表者 北野 正雄(京都大学)
メタマテリアル特有の特異な偏光特性と電磁波伝播に関する研究をマイクロ波領域で行う。北野らが理論的に予言した電場-磁場混成系メタマテリアル(旋光性メタマテリアル)において円偏光波が任意の入射角において無反射になる現象について、メタ原子を設計し、計画研究イの協力を得て実験的に実証する。 メタ原子の設計において、計画研究オと協力して特性最適化のために遺伝的アルゴリズムを導入する(出口)。また、中西を中心に、メタマテリアルを用いて電磁誘起透明化(EIT)物質を作製し、低群速度を実現する。さらに、計画研究カと協力して、共鳴周波数での局所電場増大を利用し、非線形素子との相互作用で高次高調波の発生とプラズマ生成の実験を行う。久門はマイクロ波伝播について計画研究アと協力して回路モデルを導入し、波動の基本的な側面を合理的にとらえるためのツールとして整備する。
酒井を中心に、世界的にも唯一である気体プラズマを用いた動的メタマテリアルを実現する。メタ原子(の一部)に気体プラズマを導入し、気体プラズマの生成・消滅、プラズマ周波数や衝突周波数の制御により、メタマテリアルの有効誘電率、有効透磁率の動的制御を行う。また、高強度マイクロ波入射による負の屈折率物質の自己生成機能を実証し、新奇なマイクロ波スイッチング素子を実現する。
 
研究項目 A02光メタマテリアル
計画研究 エ「周期構造を利用した光メタマテリアルの作製と物理」
研究代表者 石原 照也(東北大学)
本研究ではサブ波長周期構造をうまくデザインして、そこで生じる新奇な現象の物理を解明するとともに、機能の応用を検討する。第一の研究ターゲットは石原らが最近発見した構造に起因する光非線形性が生じる光整流効果(光起電力)である。この現象は、負の屈折率状態も含むさまざまな電磁状態に対する新しいプローブとして、また、エレクトロニクスとナノ光学を結びつける要素技術として注目される。メタマテリアルの実際の作製にあたっては表面ラフネスが損失に関係することが知られていることから、軟X線用鏡を開発してきた津留の助言を受け、高精度金属誘電体多層膜を作製し、計画研究カの微細加工技術と組み合わせて高性能光領域メタマテリアルを作製する。本研究ではケルビン力顕微鏡を導入して光起電力の空間分布を測定するが、それに先立ち計画研究イの協力を得て、大野は波長の長いテラヘルツ領域において予備的な実験を行う。光起電力現象は電磁場のベリー曲率と密接な関係があることが予測されるため、小野田、澤田は異常ホール効果、マルチフェロイクスの諸現象との類推を利用しながらメタマテリアルに特有の新奇な現象を提案する。
第二の研究ターゲットは石原らが特許出願中の表面プラズモン共鳴干渉ナノリソグラフィーを発展させ2次元メタマテリアルを簡便に作製する技術を開発することである。
いずれの研究においても西村が開発した高速多重極境界要素法で計算した電磁場応答と内部電磁場分布を活用する。構造パラメーターを最適化するような計算は現在市販されている計算ソフトでは実際上不可能であり、本チームの強みである。また、光起電力効果の応用として、未だ実証されていない負の屈折率物質における逆放射圧効果を実験的に観測する。
計画研究 オ「共振型3次元メタマテリアルの作製と機能評価」
研究代表者 田中 拓男(理化学研究所)
本研究では、研究代表者である田中が持つ、可視光領域で動作するメタマテリアルの構造設計、トップダウン的レーザー加工法、光学特性評価法、応用デバイスなどに関する研究成果の知識と経験を基礎として、さらにボトムアップ型加工技術を専門とする研究分担者を加えることで、可視域で動作する3次元メタマテリアルをmm~cm角サイズで実現することを目指す。
メタマテリアルはナノメートルスケールの金属共振器の3次元集合体であり、これを加工するには、高いQ値を稼ぐための高精度な金属構造を膨大な数集積化させなければいけないので、その実現にはトップダウン的な加工技術とボトムアップ的な技術を密に融合させることが必須である。田中が開発したメタマテリアルの構造設計プロトコルを元に、ボトムアップアップ手法が潜在的に持つ構造の揺らぎを意識して、これを許容しながら高いQ値を得るための最適な構造を探る。さらに田中は、自身が開発した2光子還元法の高速化と量産化を進め、3次元金属ナノ共振器構造の基本形成技術を確立する。彌田はdi-block-copolymerの自己組織化ナノ構造や生物がもつマイクロ/ナノ構造をテンプレートに用いたメタマテリアルの構造形成法を研究する。藤川は自身が開発したナノコーティングリソグラフィー法をメタマテリアルの加工に展開し、共振器を高精度に保持・集積化させるための大面積ホスト構造の開発を行う。これらと平行して,田中のグループでは,化学的に合成した金属ナノ粒子を液体界面に分散させ、それらを配列・集積化させるための手法の開発にも着手する。これら各分担者自身の研究の推進と平行して,互いに密接に連携しながらそれぞれの方法の融合を図り,さらに、他の計画研究で開発される手法も取り入れて、未だ実現されていないmm~cmオーダーの3次元光メタマテリアルを実現する。以上の3次元光メタマテリアル作製技術の展開をベースに他研究計画と協力して新機能メタマテリアル創出を目指す。
計画研究 カ「プラズモン共鳴型光波メタマテリアル表面の創製技術の開発」
研究代表者 迫田 和彰(物質・材料研究機構)
本研究では、物質・材料研究機構に設置されたナノテクノロジー融合センターおよび量子ドットセンターのもつ高度ナノ成長・ナノ加工技術をフル活用して、可視から近赤外までの光波領域で機能するメタマテリアルの創製技術を開発する。従来の技術に加え、比較的大面積の試料を再現性よく作製可能なナノインプリンティング技術も新たに導入して最先端の試料作製に取組む(宮崎、杉本、浅川)。作製対象としては、物質・材料研究機構でこれまでに極めて大きな局所電場増強効果を実証した、金属/極薄誘電体/金属の3層導波路構造からなるトレンチ型ナノ共振器を単位構造として、これを2次元的に最適配置した反射型メタ表面を当面の検討対象とする。また,特異的な光波伝播制御を可能とする負の屈折率実現のために、FDTD法や有限要素法、遺伝的アルゴリズムなどを利用した第1原理計算による試料設計を行う一方、単位構造の電磁共鳴(プラズモン共鳴や構造共鳴)に着目した半解析的手法を開発して、計画研究エ、オと協力し、局所状態密度の増大や光の群速度の低下を利用した線形(光吸収、自然放出、誘導放出、ラマン散乱など)および非線形光学現象(高調波発生、2光子吸収など)の増強効果も詳しく検討する(迫田、田丸)。さらに、計画研究ア、イと協力して、反射・透過などの線形現象や第2高調波発生などの非線形現象の測定を行って、メタ表面の光学特性を調べる。負の実効的屈折率の実現や磁気双極子遷移の選択的増強、あるいは、電場増強を利用した反射光スイッチングを実証する。s偏光の磁気表面ポラリトンや、自由空間とのインピーダンス整合による光の完全吸収等、メタ表面固有の光学現象の実証を目指す(岡本,岩長)。

公募研究

研究項目 A01電磁波 (マイクロ波、THz波) メタマテリアル
公募研究A01「メタマテリアルのための動的電流密度汎関数理論の構築」
研究代表者 樋口 雅彦(信州大学)
 メタマテリアルの物性予測や、新たな光学機能の創造のために、本研究では、物質場の微視的理論「動的電流 密度汎関数理論」の構築を行う。本理論の特長は
(1) メタマテリアルの電磁応答現象を微視的な立場から理解するためには、「電荷密度と電流密度」が得ら れれば十分である。本理論はこの「電荷密度と電流密度」を厳密に与えることのできる理論である。
(2) 「電荷密度と電流密度」はたかだか3変数の関数であり、メタマテリアルの様な大きな系でも数値計算 が可能である。
 「動的電流密度汎関数理論」の構築の基礎になる「拡張された制限つき探索理論」や「静的電流密度汎関数理 論」は、すでに我々は開発済みであり、これらをメタマテリアル用に具体化・拡張する。
 さらに本研究では、完成した「動的電流密度汎関数理論」をメタマテリアルへ適用する。メタマテリアルの新 奇な物理現象の理論予測や、さらには新たな光学機能の創造も目指す。
公募研究A01「有機ー無機半導体界面電荷移動による光誘起プラズモニック・メタマテリアル」
研究代表者 松井 龍之介(三重大学)
メタマテリアルによれば、負の透磁率・屈折率など従来の光学の常識を遥かに超えた機能を発現する光学材料・ 素子が実現できる。メタマテリアルの光学応答の光や電界といった外場による制御に関する研究は多く報告され ているが、任意パターンの光書き込み・制御の試みは他に類を見ない。本研究では、有機半導体/無機半導体積 層構造における光誘起金属応答を利用した、任意構造の書き込み・制御可能なテラヘルツ・メタマテリアルの創 出を検討する。
公募研究A01「小形メタマテリアル構造によるヘリカルアンテナの性能向上」
研究代表者 道下 尚文(防衛大学校)
移動通信用アンテナにおいて、アンテナの小形化限界を超えることができれば、新たな無線システムの構築や、 アンテナへの新機能の付加が可能となる。本研究では、ヘリカルアンテナのコア材料として、厳しい寸法条件下でも負の誘電率、透磁率を示す、新たなメタマテリアル構造の開発を目的とする。汎用の誘電体基板上に構成した小形立体形状あるいは極薄形状のメタマテリアル構造の単位格子の性能を明らかにする。電流源および磁流源を同時に持つヘリカルアンテナのコア媒質として構成した際の諸特性を体系的にまとめる。
               
研究項目 A02光メタマテリアル
公募研究A02 「規制異相界面メタマテリアル」
研究代表者 村越 敬(北海道大学)
メタマテリアルの物性制御には金属ナノ構造と媒体界面に原子レベルでの幾何構造と電子状態制御が重要である。本研究では、電気化学in-situ表面プラズモン共鳴全反射分光顕微鏡システムを構築し、電気化学電位が制御された環境下にて表面の原子配列が規制された金属低指数面表面のプラズモンイメージングを取得する。金属表面のミクロから原子レベルまでの幾何形状が及ぼす表面光学特性への変化を検討する。平滑表面における表面プラズモン共鳴励起の波長依存性を結晶方位、電気化学電位、溶媒、電解質アニオンを変化させて計測し、金属のバルクの電子状態と表面電子状態の影響を精査する。これらが明らかとなった後に、表面にナノ構造を導入し、光学イメージの電気化学電位依存性を検討する。中でも伝搬プラズモンの減衰距離、散乱挙動に注目し、電気化学界面の電子密度や溶媒、イオンによる光学特性制御の可能性について検討を行う。
公募研究A02「MEMS駆動型電磁誘起透明化メタマテリアルによる動的光制御」
研究代表者 金森 義明(東北大学)
光を自在に操作するために、メタマテリアルの動的制御は不可欠である。MEMS(微小電気機械システム)による駆動方式は、広帯域かつダイナミックな強度変調が可能となる。本研究は、MEMS駆動可変構造による電磁誘起透明化(EIT)メタマテリアルの動的光制御の実現を目的とする。スケーリング則に基づき、光領域とテラヘルツ領域で動作するデバイスをそれぞれ製作する。研究項目は、①MEMS駆動に適したEITメタマテリアル構造を設計・試作し、②駆動特性や光学特性を調べ、③実験と理論の両面から本方式による光制御の適用範囲を明らかにする。
公募研究A02「光学応用に資する可視光応答二分割スプリットリングの大面積および集積構造の作製」
研究代表者 久保 祥一(東北大学)
可視光領域で応答するメタマテリアルとして期待される、数十nmの金細線からなる二分割スプリットリング(SR)の構造を、ナノインプリントリソグラフィ(NIL)によって大面積かつ均一に作製し、光学特性評価・機能発現に資する面積にわたる金SR配列構造を得る技術を確立する。作製した金SR構造の光学特性を詳細に検討するとともに、可視光領域においてメタマテリアルとしての機能発現につながる構造作製を目指す。さらに、積層・集積構造体の作製による特性増幅、半導体性高分子による位置選択的修飾による外部刺激応答性の付与の、化学的アプローチによる実現を図る。これらにより、実験的側面からメタマテリアルの研究発展に大きく寄与することを目的とする。
公募研究A02「精密機械加工を援用した自己組織化による超微細素子の効率的製造法」
研究代表者 吉野 雅彦(東京工業大学)
可視光に対するメタマテリアルを実現するためには光の波長より小さい微小金属共振素子を効率的に生成する手法の開発が不可欠である。そこで申請者らが開発した、超微細塑性加工と焼鈍による自己組織化を組合わせた規則的ナノドットアレイ作成法を発展させ、C 型コイルアレイなど複雑な形状の微小金属共振素子を石英基板上に作成する方法を開発することを目的とする。このために、①自己組織化における形状制御法の検討、②金属共振素子の微細化について検討する。
公募研究A02「電磁現象におけるトポロジカル相の理論的探索」
研究代表者 村上 修一(東京工業大学)
本研究では(A)マグノニック結晶におけるトポロジカル相の理論的探索、(B)プラズモニック結晶におけるトポロジカル相の理論的探索、(C)電磁現象におけるトポロジカル相とその数理的構造の定式化、に焦点をおき、 (A)(B)による新奇物理現象の予言と(C)による数理的構造の定式化とを目的とする。(A)(B)ではバンド構造の数理的構造の解析から始め、そこからゲージ場とトポロジカルナンバーの定式化を確立する。最初は簡単なモデルでトポロジカル相の発現条件を見定め、最終的には実験で実現可能なトポロジカル相をデザインする。これと並行して(C)では、これらマグノンやフォトン、プラズモンなどのバンド構造の数理的構造・ゲージ場の構造を明らかにする。特に電子系で最近研究が進んでいるWeyl半金属やtopological crystalline insulatorなどをこれらの系で実現する可能性を探る。
公募研究A02「可溶性光メタマテリアル」
研究代表者 梶川 浩太郎(東京工業大学)
主にトップダウン的な手法を使って液体に可溶な光メタマテリアルを作製することを目的とする。「可溶」とは、熱力学的な溶解ではなく、溶液中に安定に分散されている状態を指す。この方法では、よく規定された構造で、かつ、3次元的な性質を示す光メタマテリアルが作製できる。
3次元光メタマテリアルとしては、多層構造の報告例がいくつかあるが、本研究ではそれらとは異なる方法でそれを実現する。研究で明らかにするのは以下の3点である。
(1)所望の光学特性を示す可溶性光メタマテリアルの設計手法を確立する。
(2)トップダウン手法にもかかわらず、液体中に安定して分散する光メタマテリアルを作製する。
(3)得られる溶液は極微量(1µL以下)であるが、その光学測定が可能な光学系を作製する。そして、設計通りの光学特性が得られているか調べる。
以上により、液体に可溶な光メタマテリアルという新しいコンセプトを持つ材料を作成できる。
公募研究A02「多重共鳴型メタマテリアルの研究」
研究代表者 石原 一(大阪府立大学)
金属透明化ユニット配列効果及び磁性誘電体における二重共鳴メタマテリアルを追求することで、多重共鳴効果がもたらす新奇メタマテリアル特性を明らかにする。
 具体的には電子的共鳴と構造的プラズモン共鳴のインタープレイによりエネルギー透明化を起こすナノユニットを配列した場合のメタマテリアル効果を明らかにする。また、WGM共鳴を有する磁性誘電体が配列した場合、コットン・ムートン効果がフォトニック結晶効果で特異的に増強することを利用した新奇な光伝播制御システムの提案を試する。
公募研究A02「プラズモニックメタマテリアルのナノ分光研究」
研究代表者 井村 考平(早稲田大学)
本研究では、メタマテリアルの構成要素であるプラズモンのモード間相互作用を実空間実時間で可視化し、相互作用がメタマテリアルの機能に及ぼす効果とその機構を解明することを目的とする。周期的およびランダムに配置したナノ構造体を研究対象とし、プラズモンモード間の相互作用を近接場光学顕微鏡を用いて測定する。さらに、近接場光学顕微鏡とフェムト秒パルスレーザーとを組み合わせて、非線形計測、時間分解計測を行い、プラズモンモード間の相互作用ダイナミクスをフェムト秒の時間スケールで可視化する。近接場光学顕微鏡の測定モードの違いにより、光励起される空間領域、つまりプラズモン間の相互作用が及ぶ空間を制御することが可能である。これにより、プラズモンモード間の相互作用を時間と空間の両軸で研究し解明することを最終目標とする。
 
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