NIMS,フォトニック結晶に新奇な光渦伝搬様式発見

物質・材料研究機構(NIMS)は,鏡映対称性と時間反転対称性を有するハニカム構造のフォトニック結晶の中で,光渦光源に誘起された多数の小さな光渦が干渉し合い,その結果光源の周りに逆向きの大きな光渦を形成する不思議な光渦伝搬様式を発見した(ニュースリリース)。

近年物質のトポロジーが盛んに研究されており,特に,小さい光渦を作りながらフォトニック結晶の縁に沿って流れ,鋭角をなす経路や欠陥からの散乱を受けない光伝搬が発見され,光集積回路技術の革新が期待されている。

中でもシリコン等の誘電体を微細に加工して造形したハニカム構造のフォトニック結晶にトポロジカル光特性を発現させるアプローチは,既存の半導体フォトニクス技術との親和性にも優れ,注目を集めている。一方,トポロジカル特性がフォトニック結晶内部での光伝搬にどのような影響を与えるかは解明されていなかった。

今回,研究グループが着目したマイクロストリップは,導体箔基盤・誘電体中間層・表面線状導体箔の三層構造で,表面線状導体箔が蜂の巣模様を持つ。導体線六角形の線幅と導体線六角形同士をつなぐ導体線の線幅を調整することで,周波数分散関係が制御されトポロジカル光特性を創出できる。

鏡映対称性と時間反転対称性を有するハニカム構造のトポロジカルフォトニック結晶を製作し,真ん中の金属線六角形の頂点における電磁場の位相を制御して光渦光源を作り,光源の周波数をバンドギャップより僅かに低い値に設定し,マイクロストリップの平坦性を利用して系全体に亘る電磁波の強度と位相を高い精度で測定した。

その結果,光渦光源が最近接の単位胞に同じ向きの光渦を誘起し,それらが逐次遠方の単位胞へ伝搬しながら干渉し合い,その結果光源の周りに逆向きの大きな光渦が形成される,新奇光渦伝搬様式を発見した。

渦流の反転は,構造による鏡映対称性の破れか,磁化による時間反転対称性の破れで発生することが知られているが,研究グループは今回発見された現象が,ハニカム構造のトポロジカルフォトニック結晶のディラック周波数分散関係に由来することを突き止めた。

今回の研究はミリ波で実験を行なったが,類似の現象は光通信帯域や可視光域でも期待され,キラルな物質の検出を目的とした顕微円二色性分散計やセンサーとフィルター,多重特異点光渦を利用した高精度広域顕微技術に応用できるという。

研究グループは,この新奇現象を面発光レーザーの発光制御に利用することで,光ピンセットや光スパナ等先端的なナノレーザー技術の発展への寄与も期待されるとしている。

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