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メタマテリアルで未開の電磁波“テラヘルツ波”を自在に操作したい!

RESEARCHER
左は自然界の原子や分子によって構成される通常の媒質。右はメタマテリアルの概念図。擬似原子(分子)である「メタ原子」は波長より小さいことが条件で、これを構成要素に構造体を形成した人工的な媒質が「メタマテリアル」である。

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マイクロ波帯のメタマテリアル。マイクロ波は波長が数10cmと長いため、波長より小さいことが条件である「メタ原子」の作成も容易。

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テラヘルツ波制御への応用。未踏の領域であるテラヘルツ波に対応した光学素子をメタマテリアルにより実現することを研究している。

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金属と絶縁体の入れ替え(バビネ反転)によって得られる相補的な金属スクリーンでは、透過率が反転する。これをバビネの原理という。

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バビネ反転を実現するメタ表面(2次元のメタマテリアル)。チェッカーボードのように補対構造が元の構造と一致する自己補対構造では、接点の変調(接続か非接続か)によってバビネ反転が起こり、電磁応答を「反転」することができる。例えば、二酸化バナジウム(65℃付近で絶縁体-金属転移)を接点に導入することで、バビネ反転によりメタマテリアルが「相転移」し透過率が反転する。

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異方性メタ表面におけるバビネ反転と偏光操作。接点の変調によりバビネ反転と90度回転を同時に実現する異方性メタ表面では動的な偏光操作が可能になる。左の例では、二酸化バナジウムの接点の温度によって接続(on)・非接続(off)が変わるため、低温時はY軸方向の偏光、高温時はX軸の偏光のみが通る。右の例のように直線偏光から円偏光をつくることも可能で、温度により右巻きと左巻きを制御できる。

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EIT現象を用いた光凍結。光を遅くしたり、止めたりする(凍結)ことができるEIT効果をメタマテリアルで実現した。原子系と全く同じように電磁波を保存し任意のタイミングで取り出すことができる。

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どんなタネ?

「メタマテリアル」の研究をしています。電磁波の波長よりも小さい「メタ原子」を構成要素とするメタマテリアルは、人工的な疑似物質で、自然界の物質とは異なるふるまいを実現することも可能です。例えば、「負の屈折」により光を「く」の字に曲げたり、「透明マント」のように物を隠したりすることもできます。私は、温度変化で導電性と絶縁性が反転する物質を利用し、偏光操作できるメタマテリアルなどを開発しています。特に現在は、従来の材料では難しいとされてきた「テラヘルツ波」に対応した光学素子をメタマテリアルで実現することを目指しています。

なぜ研究を始めた?

元々は自然界にある原子を対象に、量子効果の研究をしていました。リアルな原子を扱ってきたからこそ、それと方程式レベルで同じ特性を人工構造により実現するメタマテリアルはすごいと思っています。テラヘルツ波への対応を目指し始めたのは比較的最近です。電波と光の中間にあるテラヘルツ波は5Gの先(第6世代以上)の通信技術のカギを握る周波帯領域です。しかし電波としては周波数が高く、光としては低すぎるため従来技術では発生や検出困難で、その操作技術もまだまだ未熟です。そこで、テラヘルツ波と相互作用するメタマテリアルを用いた偏光操作の実験などを進めています。

なにを変える?

私はルビジウムなどの通常の原子で実現されている光凍結という現象を、銅と電子部品からなるメタマテリアルで実現しました。もし、原子系でしか得られなかった特性がメタマテリアルで可能となれば、マイクロ波から光領域まであらゆる電磁波への応用の道が開かれます。学術的には、これまで同じ電磁波でも「マイクロ波」と「光」は別領域として扱われてきました。この研究が進むことで、両者はより融合し、同じ設計方針が貫けるようになります。また「負の屈折」がそうであったように、理論の予言を人工原子系であるメタマテリアルならば実証できるかもしれません。

なにが必要?

現在は電波(マイクロ波)とテラヘルツ波を主に扱っていますが、赤外線、可視光線と光の領域になると、波長が短くなるため、メタ原子のサイズもどんどん小さくする必要があり、微細加工も難しくなります。光の領域にチャレンジするには光物性や光エレクトロニクスなど、光の専門家と連携できると嬉しいです。また、メタマテリアルの設計では、幾何学的なパターンを利用して物理現象を制御するため、数学的な知見も重要です。近年では電磁波・光に限らず、音波や機械振動などメタマテリアルの対象が広がっています。興味深い「波」の現象に、ぜひ注目していきたいです。

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