Development of Ultrasonic Topological Phononics for Multifunctional Elastic Wave Devices

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本研究では，計算科学的バンド設計とそれに基づいてエッジモードの発現を予測，力学系にモデル化・実証し，トポロジーに保護されたエッジモードを介した極めて低損失な音響波・弾性波伝搬を実現，その上で磁性体のスピン振動との結合や非線形増幅などの新機能開発を本提案の期間全体における研究遂行フローとする。特に，弾性波ならではの波動伝搬の多自由度（縦波・横波，薄板内対称・非対称モード等）を活かし，弾性波・音響波をマルチモードで制御することで，他に類を見ない新奇な超多重化弾性波デバイスの実現を目指しでいる。第2年度では主に以下の成果をあげた：(A) C3v対称性を持つフォノニック構造の計算科学手法による最適化と，それに基づいてkHz帯で動作する薄膜状のトポロジカル弾性波導波路の設計・試作・ロバスト性実証に成功した；(B) GHz帯でのトポロジカル弾性導波路を設計し，その試作と極超音波伝搬の実証と伝搬状態の可視化，さらに導波路上に形成した共振器との結合によるスイッチング機能付与に成功した；(C) 音響トポロジカル非線形効果発現機構，スピンメカニクスの基礎特性など，トポロジカルフォノニクスの多機能化の基盤構築を実施した。特に，(B)は高周波化とともに限界に近づく電子デバイス(ゲート素子)の微細化に対し，電子をキャリアとしない新たな高集積回路実現の可能性を示した重要な成果と言える。また，これらの成果は単独のグループによるものではなく，本研究を推進する３つの件給付ループがそれぞれ緊密に連携することで初めて可能になった成果であり，当該研究分野においては国内では唯一といってよい連携体制である。