日本電信電話（NTT）と東京工業大学は、相変化物質と半導体の特殊なハイブリッドナノ構造の実現により、物質の相転移によって世界で初めて光のトポロジカル相転移を引き起こすことに成功した（ニュースリリース）。
近年、電子が持つトポロジカル不変量「チャーン数」に基づく物性が研究され，トポロジカル絶縁体という新しい物質状態が発見された。この概念は、フォトニック結晶においても現れることが判明している。
ここでチャーン数が非ゼロの場合，光はトポロジカル絶縁体として振る舞い，チャーン数が異なる界面に光の導波路が形成される。これは一方向への光の伝播や後方散乱の抑制といった特長を持つ。
そのため，光の配線をオンデマンドで自由に生成する光集積回路への応用が期待されているが，一度形成された構造のチャーン数は変更が困難で，バンド反転が必要なトポロジカル相転移の実現が課題となっていた。
そこで研究グループは，物質の相転移を利用し、構造作製後にオンデマンドに光のトポロジカル相を切り替えることを狙った。
ポイントは，相変化材料によって光トポロジカル相転移を可能とする構造。Ge2Sb2Te5（GST）は，温度や光パルスで結晶相とアモルファス相間の相転移が可能な相変化材料で，この性質を利用して書き換え可能なDVDなどで実用化されている。
研究では，シリコンフォトニック結晶上にGSTを装荷し，GSTの相転移によりフォトニック結晶に大きな屈折率変化を与えて，光トポロジカル相転移を引き起こすことを狙った。
ただし，GSTをフォトニック結晶の上に一様に成膜しただけでは，チャーン数を変化させることはできない。そこでシリコン層を含むフォトニック結晶とGST膜で構成されるハイブリッド構造を作製した。
これは，電子線露光によるを二段階のパターン形成と，正確な位置合わせ技術によって，フォトニック結晶上にパターンの異なる機能材料を装荷するという，新しいアプローチによるもの。
作製したハイブリッドフォトニック結晶構造のフォトニックバンド構造を測定した結果，フォトニック結晶のバンド構造が反転し，光の状態もノーマル相からトポロジカル絶縁相への相転移が可能になることを発見した。
研究グループは今後，GSTを使用した光トポロジカル相転移を利用し，光導波路をオンデマンドで再構成する技術を開発する。また，ハイブリッドフォトニック結晶作製技術はGST以外にも応用可能なことから，研究グループは，学術的および応用的な広がりが期待されるとしている。
