Enhancement of optical functionalities of magnetic and dielectric materials based on meta-optics

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局在型表面プラズモン共鳴と表面格子共鳴が期待できる物質としてAl、Ag、ミー共鳴ならびにそれとフォトンとの結合が期待できる物質としてSi、TiO2、ZrO2を対象に、ナノ粒子の形状、大きさ、配列の仕方、周期を変調したナノ周期アレイを作製し、透過スペクトルの入射角依存性の測定、FDTD法を用いた数値シミュレーションにより電気・磁気双極子ならびに多極子のモードを解析した。特にSiの系では、ブラベ格子のみならず、隣接するSiナノ粒子の位置と大きさを変調した非ブラベ格子の作製に成功し、連続体における束縛状態（BIC）モードの存在を実証するとともに、ナノ粒子の配列の対称性に依存してBICモードに寄与する電気・磁気双極子の状態が異なり、モードのエネルギーに違いが生じることを見いだした。また、TiO2ナノ周期アレイをエラストマーに埋め込んだナノアンテナシールを作製し、同じ周期構造を持つ2枚のTiO2ナノアンテナシールを互いに角度を設けて貼り合わせることにより、キラリティを付与することに成功した。このようにメタ表面の特性に関しては新規な知見が得られた。メタ表面による誘電体の非線形光学効果の増幅に関しては、電場と誘電分極の関係に現れる高次の項に基づく非線形性ではなく特定の元素の多段階励起に基づく波長変換ではあるものの、希土類を添加したフッ化物ナノ粒子とナノ周期アレイの組合せによりアップコンバージョン蛍光の増幅に成功した。たとえばAlナノ周期アレイとEr3+含有蛍光体の組合せでは最大で五段階励起に基づくアップコンバージョン蛍光が観察された。新規酸化物磁性体と誘電体にかかわる成果として、2021年度も対象としたYFe2O4単結晶について研究を進め、酸素欠陥が巨視的な誘電分極の配列に影響する可能性を見いだした。また、間接型強誘電体であるAgRTiO4（Rは希土類元素）が負の熱膨張を示すことを見いだした。