テラヘルツ波帯・赤外領域の電磁波制御に向けた磁性制御メタ材料の学理構築

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メタサーフェスは、メタアトムと呼ばれる波長よりも小さい構造を周期的に多数配置した人工構造材料である。メタアトムの材料、形状、寸法の設計で、自然界の材料では実現できない光学特性を有する人工構造材料を実現できる。誘電体膜の表裏両面に金属パッチを配置した構造のメタアトムにより、メタサーフェスの比誘電率と比透磁率を同じ周波数で同値かつ高い値に設計することで、高屈折率かつ無反射な光学特性を実現できる。屈折率が異なる複数のメタアトムの配置を設計することで、光源の指向性利得を向上する平面状で薄型な分布屈折率レンズや、平面波を光渦に変換する平面状で薄型な光学素子も実現できる。2年目は、これまでに作製した50THz帯で高屈折率・無反射なメタサーフェスの実験評価を進めた。メタサーフェスは厚さ100nmの極薄のSiNxメンブレンの表裏両面に1辺1200nmの正方形Auパッチを周期的に配置している。作製したメタサーフェスの実験評価に向け、クラマース・クローニッヒの関係式を用いて、材料の反射と透過の振幅のみから、材料の光学特性を導出する方法を構築した。位相の測定が困難な赤外域でも、反射と透過の振幅の測定のみから、材料の比誘電率と比透磁率の両方を導出できる。構築した方法により、フーリエ変換赤外分光計で測定した反射と透過の振幅の実験結果から、作製したメタサーフェスが50THz帯で高屈折率・無反射な光学特性を有することを確認した。作製したメタサーフェスの実験による実証はIRMMW-THz2022で報告した。クラマース・クローニッヒの関係式を用いた光学特性の導出方法の構築はFTT2022で報告した。また、メタサーフェスの作製と実証の成果は、文部科学省マテリアル先端リサーチインフラの令和4年度「秀でた利用成果」優秀賞を受賞した。第22回国際ナノテクノロジー総合展・技術会議で講演とポスター展示を行った。