第４０回無機材料に関する最近の研究成果発表会

2023.1.27

ENZ材料で拓くトポロジカルフォトニクスの可能性
岩本 敏
東京大学 先端科学技術研究センター
東京大学 生産技術研究所
e-mail: iwamoto@iis.u-tokyo.ac.jp
Web: http://www.iwamoto.iis.u-tokyo.ac.jp/

本日の内容
 トポロジカルフォトニクス
 ENZ効果を活用したトポロジカルフォトニック結晶の可能性
 ENZ材料における磁気光学効果の実証
 通信波長帯一方向性トポロジカル導波路の実現に向けて
 まとめトポロジー：物性科学から光へ
電子系

波動系
光（電磁波）系

A. B. Khanikaev et al.,Z. Wang et al., Nature 461, 772 (2009) Nat. Mater. 12, 233 (2013).

機械系

音響系
S. Oh, Science 340, 153 (2013).

トポロジカル絶縁体
トポロジカルエッジ状態：
欠陥やゆらぎに強い電子の一方向伝搬
次世代エレクトロニクス、スピントロニクスへの応用

Z. Zhang et al., Research 2019,5385763 (2019).

L. M. Nash et al.,PNAS 112, 14495 (2015).

光や音波、機械振動でもトポロジカルエッジ状態！

 バンド構造におけるトポロジカルな特徴に起因 トポロジカル ”X”の研究が進展

Growing attention
Source: Web of Science
Number of publications
As of Sep. 12, 2022.

600

500

Topological Photonics

400

Topological photonics <or> Topological Phononic <or> Topological
Acoustics <or> Topological Mechanics

300

200

10002005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

2021

2022

トポロジカルフォトニクス:その始まり
Haldaneらの提案：構造欠陥等があっても一方向のみに光が伝搬する状態ができるはず！

マイクロ波帯で最初に実現

Z. Wang et al., Nature 461, 772 (2009)

トポロジカルフォトニクス:フォトニクス技術としての期待
構造揺らぎや欠陥、曲げに強い光導波路、一方向性

Z. Wang et al., Nature 461, 772 (2009)

高効率・高安定レーザ
スロープ効率の向上

M. A. Bandres et al.,Science 359 eaar4005 (2018).

揺らぎがあっても安定

G. Harari et al.,Science 359 eaar4003 (2018).

トポロジカル絶縁体の考え方を光制御に応用新奇フォトニックデバイスの可能性
集積フォトニクスのプラットフォームでの研究への注目

半導体トポロジカルナノフォトニクス
半導体フォトニック結晶で光トポロジカルエッジ状態の特徴を活かした導波路や共振器などの研究が進む

S. Barik et al., Science 359, 666 (2018)

M. I. Shalsev, et al. Nat, Nanotech. 14, 31 (2019).

AB
T. Yamaguchi, et al., APEX 12, 62005 (2019)

Y. Ota et al., Optica 6 786 (2019).

最近の進展：S. Iwamoto et al., Opt. Mater. Express 11, 319 (2021)
Y. Ota et al., Nanophotonics 9, 547 (2020).

バレーフォトニック結晶
半導体のみで実現可能なトポロジカルフォトニック結晶の一つType I

Type II

 フォトニックバンド構造は同じだがそのトポロジカルな特徴が異なる
Normalized Frequency (a/)

0.5
0.4
0.3
0.2
0.10.0

MK(K’)

バレーフォトニック結晶
半導体のみで実現可能なトポロジカルフォトニック結晶の一つType I

Type II

 フォトニックバンド構造は同じだがそのトポロジカルな特徴が異なる
 Berry曲率(波数空間に“渦” ）の符号が異なる（”渦”の向きが逆）

K’

K’
KK

バレーフォトニック結晶
半導体のみで実現可能なトポロジカルフォトニック結晶の一つType I

Type II

２つのタイプのバレーフォトニック結晶の界面にトポロジカルエッジ状態
Zigzag界面
Type I
Type I

Type II

Type II(3D-FDTD)

バレーフォトニック結晶導波路
通常のフォトニック結晶導波路（W1型）

バレーフォトニック結晶導波路

バレーフォトニック結晶：曲がりでの散乱抑制、高い透過効率
定量的評価（オランダグループによる）

S. Arora et al., Light: Sci. Appl. 10, 9 (2021).

バレーフォトニック結晶導波路は通常のフォトニック結晶導波路に比べて100倍ロバスト

トポロジカルスローライト導波路
全誘電体トポロジカルスローライト導波路の提案

Siトポロジカルスローライト導波路の実現

a = 530 nm, L=45a=23.85 um

H. Yoshimi et al., Opt. Express 29, 13441 (2021).

トポロジカルスローライト導波路の応用
単一光子源レーザ

K. Kuruma et al., Laser & Photonics Reviews 16, 2200077 (2022).

R. Miyazaki et al., SSDM 2021 E-5-04 (2021)“曲げられる” スローライトデバイスの可能性
いずもれ時間反転対称性を有する相反性デバイス

非相反光デバイス
時間反転対称性を破った光デバイス例）アイソレータ、サーキュレータなど

時間変調

磁気光学効果L. D. Tzuang et al., Nat. Photon. 8, 701 (2014).

非線形光学
Y. Shoji and T. Mizumoto, Appl. Sci. 9, 609 (2019).

トポロジカルフォトニクス？
K. Y. Yang et al., Nat. Photon. 14, 369 (2020).

オプトメカニクス

トポロジカルフォトニクスの究極目標の一つ
L. Ren et al., ACS Photon. 7, 2995 (2020).

光トポロジカル状態を活用した一方向性導波路への挑戦
 時間反転対称性の破れた系で現れる光のカイラルエッジ状態の活用 磁気光学効果を使って系の時間反転対称性を破ることが必要

マイクロ波

光領域

大きな磁気光学応答を示す材料
が利用可能

利用可能な材料の磁気光学効果
は弱い

フェライトロッド

YIG(Yttrium iron garnet)を活用
帯域 42pm@1550nm
B. Bahari et al., Science 358, 636 (2017).

Z. Wang et al., Nature 461, 772 (2009).

我々のアプローチ

詳細な特性の検討
応用の可能性の議論が進んでいない広帯域カイラルエッジ状態の実現が求められる
より大きな磁気光学効果の利用が必要

 ENZ (Epsilon-Near-Zero) 効果による磁気光学効果の増強
 新たな磁気光学材料の活用

ENZフォトニクス
誘電率の実部を０近傍まで小さくすること(ENZ: Epsilon-Near-Zero)で特異な光学現象が発現
特異な光伝搬

磁気光学効果の増強

B. Edwards et al., PRL 100, 033903 (2008).

A. R. Davoyan et al., PRL 111, 257401 (2013).

非線形光学効果の増大

ファラデー効果を例に𝜋𝐿 𝑖𝜀𝜆 𝜀𝜃𝜀M. Z. Alam et al., Science 352, 795 (2016).

𝜀𝜀0𝜀𝜀0誘電率対角成分が小さくなると効果が増大

00𝜀ENZ-磁気光学材料（ENZ-MO)を用いたトポロジカルフォトニック結晶構造

バンド構造と光分布

三角格子
磁場：面垂直方向
a ~ 850 nm

トポロジカルギャップ幅の誘電率依存性
 低誘電率化でギャップ幅の大幅な拡大
 誘電率0.01で約70nm（従来の1000倍以上の帯域）の動作帯域実現可能性*非対角成分の値はナノグラニュラー膜に相当する数値を使用

 ギャップ全域にわたってカイラルエッジ状態の存在も確認xy=0.1i

誘電率制御の有効性を理論的に示す
T. Liu et al., ACS Photonics 9, 1621 (2022).

ENZ-磁気光学材料（ENZ-MO)を用いたトポロジカルフォトニック結晶

T. Liu et al., ACS Photonics 9, 1621 (2022).

誘電率対角成分の低減により、曲げや欠陥に対してより堅牢な光伝搬が可能に
ENZ効果で実際に磁気光学効果が増強されるのか？

ENZ材料 有効ENZ媒質：積層構造やメタマテリアル、フォトニック結晶
 周波数領域に応じて様々な材料が利用可能

N. Kinsey et al., Nat. Rev. Materials 4, 742 (2019)まとめ トポロジカルフォトニクス：物性物理学で進展してきた(バンド)トポロジーの概念をフォトニクス技術に適用
 光カイラルエッジ状態の実現とその一方向性導波路への応用に対する期待光領域での実現は困難でトポロジカルフォトニクスの究極目標の一つ
 ENZ特性を示す磁気光学材料が、広帯域で機能する一方向性トポロジカル光導波路への道を拓く可能性
 ENZ特性を示す材料における磁気光学効果の増強を初めて実証
 一方向性トポロジカル光導波路実現にむけた材料開発、素子設計、試作を推進中実現できれば大きなインパクト謝辞
本研究は2019年度日本板硝子材料工学助成会の研究助成および科学研究費補助金・萌芽研究 (19K21959)、JST-CREST (JPMJCR19T1)により行われたものである。紹介した成果に関する共同研究者であるTianji Liu氏（東京大学、現・中国科学院長春光学精密機械・物理研究所）、太田泰友氏（慶應義塾大学）、小林伸聖氏および池田賢司氏（電磁材料研究所）に感謝する。