光が表面を散乱せずに伝わる新しいフォトニック結晶を発見

シリコンのみで実現可能　半導体技術との融合で新機能開発に期待

2015.06.08

国立研究開発法人　物質・材料研究機構

NIMS MANAのグループは、光の透過や屈折を制御するフォトニック結晶において、光を含む電磁波が、表面のみを散乱することなく伝わる新しい原理を解明しました。

概要

  1. 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) の古月 暁主任研究者と呉 龍華 (ウー ロンファ) NIMSジュニア研究員のグループは、光の透過や屈折を制御するフォトニック結晶において、光を含む電磁波が、表面のみを散乱することなく伝わる新しい原理を解明しました。蜂の巣状に配列された絶縁体や半導体の円柱 (ナノロッド) の位置をわずかに調整するだけで、電磁波は結晶の角の部分や欠陥にも散乱されることなく伝わります。この性質は、シリコン等の半導体だけでも得られるため、現在広く普及している半導体技術による情報処理と優れた情報伝播機能との融合によって、新規機能の開発に繋がることが期待されます。
  2. 近年、物質の表面だけに特別な性質が現れるトポロジカル特性を持つ物質の研究が、活発に行われています。フォトニック結晶においても、通常は光が結晶内を通過する際に欠陥などによって散乱してしまいますが、トポロジカル特性を実現することで、散乱することなく光の透過を制御することができ、光による効率のよい情報伝播機能を実現することが期待されています。しかし、トポロジカル特性をもつフォトニック結晶を作るためには、特殊な材料が必要とされていました。
  3. 本研究グループは、複雑な物質や構造を一切使わずに、蜂の巣格子に配列した絶縁体や半導体のナノロッドの位置を調整するだけで、トポロジカル特性をもつフォトニック結晶が実現できる新しい原理を発見しました。位置調整によってできたナノロッドの六角形クラスターには、スピンという従来電子にしかない特徴をもつ電磁波が現れます。その結果、六角形クラスター同士の間隔を小さくすれば、フォトニック結晶でトポロジカル特性が発現することが理論的に明らかになりました。
  4. ナノロッドの素材としてシリコンが使えるため、既存のエレクトロニクス技術との融合により、新規機能や新規デバイスの研究開発に新しい展開が期待されます。
  5. 本研究は一部、文部科学省科学研究費補助金の新学術領域研究「対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象」からも援助を得ています。本研究成果は、米国物理学会の論文誌Physical Review Letters誌にて2015年6月3日 (現地時間) にオンラインで掲載されました。
「プレスリリースの図2 : 　上段 : 蜂の巣格子に並んだ円柱からなるフォトニック結晶を上からみた場合の模式図。最隣接した円柱を六角形クラスターに区分けしたうえ、形状とサイズを一定にしたまま、六角形クラスター同士の間隔を、蜂の巣格子 (中列) から、伸ばした場合 (左列) と縮めた場合 (右列) に得られるフォトニック結晶。下段 : それぞれの場合に対応するフォトニック結晶の波数と周波数の関係。但し、a0は六角形の中心から計った六角形クラスター間の距離で、Rは六角形の一辺の長さである。」の画像

プレスリリースの図2 : 　上段 : 蜂の巣格子に並んだ円柱からなるフォトニック結晶を上からみた場合の模式図。最隣接した円柱を六角形クラスターに区分けしたうえ、形状とサイズを一定にしたまま、六角形クラスター同士の間隔を、蜂の巣格子 (中列) から、伸ばした場合 (左列) と縮めた場合 (右列) に得られるフォトニック結晶。下段 : それぞれの場合に対応するフォトニック結晶の波数と周波数の関係。但し、a0は六角形の中心から計った六角形クラスター間の距離で、Rは六角形の一辺の長さである。