～トポロジカル絶縁体の理論を応用したナノ光制御～

　私たちの日常生活に欠かせない情報技術は多くの電子デバイスに支えられています。しかし、電子制御のみに頼った技術で情報処理速度を今後飛躍的に向上させることは難しく、速度に優れた光学デバイスの導入が必要です。
　今回、九州大学先導物質化学研究所の斉藤光准教授、東京工業大学物質理工学院材料系の三宮工准教授、同大学理学院物理学系の森竹勇斗助教らの研究グループは、光の伝播を自在に操るために欠かせないダイオード[用語1]のような整流作用のあるナノ光学デバイスを実証しました。その動作原理は、2016年のノーベル物理学賞でも有名な「トポロジカル絶縁体[用語2]」とも関係が深く、電気伝導について物質内部は絶縁体であるにもかかわらずエッジ(表面や境界)だけ導体というトポロジカル絶縁体の不思議な性質を利用しています。この性質が光伝播においても発現するような人工ナノ構造を設計し、その光伝播を直接可視化したのが本研究成果です。
　トポロジカル絶縁体は原子が規則正しく並んだ結晶ですが、今回、原子の結晶を模した構造として、金属ナノ構造を規則正しく並べた人工結晶を作製し、光に対する「絶縁体」の機能が発現するようにしました。作製した人工結晶は非対称な形をしており、これがトポロジカルな性質が発現するための重要な構造的特徴となっています。この非対称な人工結晶とそれを反転させたもう一つの人工結晶を接続して境界(エッジ)を形成すると、その境界上でのみ光伝播が発現し、境界に沿って一方向に伝播する整流性を獲得します。この人工構造は金属で構成されており、光は金属表面の自由電子集団の粗密波(表面プラズモン[用語3])に変換され、ナノスケールに圧縮されて伝搬します。本研究グループは世界に先駆けてこのトポロジカルに保護された光伝搬をナノスケールで実現し、電子顕微鏡[用語4]によってその伝播を直接可視化することに成功しました。
　本研究成果は2021年7月27日にNano Letters誌(2020 Impact Factor11.189)に公開されました。

用語解説

[用語1]ダイオード
電流を一定方向にしか流さない作用(整流作用)をもつ電子部品。

[用語2]トポロジカル絶縁体
物質の内部は絶縁体でありながら、表面では電気を流す金属的な性質を示す。通常の絶縁体との区別をつける上で、物質中の電子の状態を記述する数学的理論にトポロジーが導入されたことが名前の由来となっている。

[用語3]表面プラズモン
物質中の電子が集団的に振動することで生じた電子密度の粗密波をプラズモンと呼ぶ。プラズモンが物質表面で生じるとき、表面近傍の電場と磁場の振動を伴った表面プラズモンとなる。表面プラズモンが光の振動数領域で生じるとき、光エネルギーが物質の極表面近傍のナノメートルサイズの空間に圧縮されるため、表面プラズモンを利用したナノスケールの光学デバイスの研究が進められている。

[用語4]電子顕微鏡
高エネルギーの電子線を試料に照射し、試料による電子線の散乱等を利用して物質や生体をイメージングする顕微鏡。今日では原子の並びを直接可視化できるほど高性能な電子顕微鏡が市販され、物質や生体の構造を原子レベルで解析することが可能になっている。

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九州大学プレスリリースをご参照ください。