NTTら,光のトポロジカル特異点の生成手法を発見

日本電信電話(NTT)は,東京工業大学と共同で,光のトポロジカルな特異点を自在に生成・制御できる手法を,世界で初めて理論的に明らかにした(ニュースリリース)。

波数空間における電子の波動関数のトポロジーが様々な新しい物理現象を導くことを示した業績に対し,2016年にノーベル物理学賞が与えられた。最近ではこのトポロジカル物性は固体中の電子だけでなく,フォトニック結晶中の光においても発現することが判明し,トポロジカルフォトニクスとして活発に研究されている。

光のトポロジカルな現象の一つに,光トポロジカル特異点と呼ばれるものがある。特にトポロジカル数が整数の時のBound state in the continuum(BIC)と呼ばれる状態は,普通ならフォトニック結晶の外に光が漏れ出てしまうはずの周波数領域で,結晶の中に閉じ込められたモードとして出現する。

フォトニック結晶において,面に垂直方向に光が出てこられない自明なBIC(垂直方向BIC)の存在は知られていたが,最近になり斜め方向に光が出てこられない非自明なBIC(斜め方向BIC)が新奇な光閉じ込め方法として注目されている。

このBICモードに利得を与えるとレーザー発振が可能であり,閉じ込め方向にレーザー光が出射される。これまでに,垂直方向の自明なBICを用いたレーザー発振が実現している。非自明なBICでは斜め方向にレーザー発振可能であり,かつ発振角度を変更できると考えられている。

しかし,これまで発見された非自明な斜め方向BICは,偶然発現するものしか知られておらず,その生成メカニズムは不明だった。

今回研究グループは,誘電体周期構造(=フォトニック結晶)を変形して,非自明なBICとなる光トポロジカル特異点を必ず生成できる方法を,世界で初めて見出した。

誘電体薄膜に丸い穴が三角格子状に周期的に開けられたフォトニック結晶を用いるが,この構造はトポロジカル数が-2の自明なBIC(垂直方向BIC)を持つことが知られている。

今回,この構造を横方向または縦方向に引き延ばすことによって,自明な垂直方向の自明BICが二つに分裂して,トポロジカル数が-1の非自明な斜め方向BICが対で生成されることを理論的に示した。

また,フォトニック結晶の穴の形状を三角形にすることによって,トポロジカル数が半整数となり円偏光モードとなる別種のトポロジカル特異点を生成することも発見した。

研究グループはこの成果により,特殊な偏光状態を自在に制御できるレーザーなどの発光デバイスや,光出力を自在に制御できる新しい光制御デバイスの可能性も期待できるとしている。

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