NIMSら,ハニカム構造でレーザー発振に成功

物質・材料研究機構(NIMS),科学技術振興機構,中国北京大学の研究グループは,ハニカム型フォトニック結晶のトポロジカル特性による新規光閉じ込め現象を発見し,優れた指向性を示す微小レーザーの作製に成功した(ニュースリリース)。

物質の性質が系の形状の変化に影響されない”トポロジカル特性”に関する研究が盛んに繰り広げられ,量子コンピュータの実現等,優れた新規機能開発につながることが期待されている。

一般的に物質の持つトポロジカル特性は,系の表面や縁に局所的に現れる(バルク-エッジ対応)。それらを利用すれば,抵抗を伴わない電流や欠陥にも散乱されない光・電磁波伝播が実現できる。しかし,トポロジカル特性が,表面や縁だけでなく,系全体の性能の向上に役立つか否かは解明されていなかった。

研究グループは,トポロジカル特性を示す発光性半導体フォトニック結晶の周辺を,トポロジカル特性を持たないフォトニック結晶で囲むことで,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。

このアプローチのユニークな点として,フォトニック結晶がトポロジカル特性を持つか持たないかは,三角空孔のハニカム配列をベースに,三角空孔の位置を,ハニカム配列の単位胞の中心からわずかに遠ざけるか近づけるかで作り分けることが可能となる。

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,微小なデバイスサイズにもかかわらず,共振器面に垂直な方向への優れた指向性を示す。さらに発光閾値などレーザー特性の指標も,IEEEやその他の工業規格を満たすことが確認された。

この研究で示したトポロジカル特性由来のレーザー発振現象は,極小で指向性の優れた固体レーザー光源開発の新たな指針となり,近接場光学顕微鏡や,光渦を利用した光ピンセット等,ミクロな世界のレーザー技術をはじめ,医療・生命科学技術の革新に大きく寄与すると期待されるとしている。

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