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ハニカム構造が生み出す新しいレーザー発振現象を発見

~トポロジーによる波動の閉じ込め効果、革新的マイクロレーザー技術開発に新しい光~

国立研究開発法人 物質・材料研究機構 (NIMS)
国立研究開発法人 科学技術振興機構 (JST)

NIMS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ました。通信、センサー、加工、DNA操作等の革新的技術開発の要になっている優れたレーザー光源として、幅広い応用が期待されます。

NIMS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ました。通信、センサー、加工、DNA操作等の革新的技術開発の要になっている優れたレーザー光源として、幅広い応用が期待されます。

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ます。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ます (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ます。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ませんでした。

本研究チームは、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ました。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です。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します。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ました。

本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ます。

本研究は、物質・材料研究機構 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点 (WPI-MANA) の胡 暁 MANA主任研究者、 王 星翔 NIMSジュニア研究員と、中国北京大学Renmin MA教授のグループからなる研究チームによって行われました。本研究は、科学技術振興機構 (JST) 戦略的創造研究推進事業CREST「トポロジカル材料科学に基づく革新的機能を有する材料・デバイスの創出」研究領域 (研究総括 : 上田 正仁) における研究課題「人工グラフェンに基づくトポロジカル状態創成と新規特性開発」課題番号 JPMJCR18T4 (研究代表者 : 胡 暁) 、日本学術振興会 (JSPS) 科学研究費助成事業基盤研究 (B) 研究課題「実空間操作によるトポロジカル状態発現の摂理探索と新規機能の創成」課題番号No.17H02913 (研究代表者 : 胡 暁) の一環として行われました。

本成果は、Nature Nanotechnology誌にて英国時間2019年12月16日16時にオンライン掲載されます。


https://iwabuchi.nims.go.jp/WebRelease2/img.-.ja_1575872798@@@NoPhoto.gif

プレスリリース中の図 : (a) トポロジカルフォトニック結晶共振器のSEM像、 (b) レーザースペクトルのポンピングパワー依存性。




掲載論文


題目 : A high-performance topological bulk laser based on band-inversion-induced reflection
著者 : Z.-K. Shao, H.-Z. Chen, S. Wang, X.-R. Mao, Z.-Q. Yang, S.-L. Wang, X.-X. Wang, X. Hu, R.-M. Ma
雑誌 : Nature Nanotechnology
掲載日時 : 英国時間2019年12月16日16時 (日本時間17日1時)
DOI : 10.1038/s41565-019-0584-x


本件に関するお問い合わせ

(研究内容に関すること)

国立研究開発法人物質・材料研究機構
国際ナノアーキテクトニクス研究拠点(MANA)

MANA主任研究者
ナノシステム物性理論グループ

古月 暁 (ふるつき ぎょう)

Tel: 029-860-4594

E-Mail:HU.Xiao@nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)

(報道・広報に関すること)

国立研究開発法人 物質・材料研究機構 (NIMS)
経営企画部門 広報室

〒305-0047 茨城県つくば市千現 1-2-1

Tel: 029-859-2026

Fax: 029-859-2017

E-Mail:pressrelease=ml.nims.go.jp
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国立研究開発法人 科学技術振興機構
経営企画部門 広報室

〒102-8666 東京都千代田区四番町5番地3

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戦略研究推進部
グリーンイノベーショングループ
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