High-Speed Time-Space Modulation Technology of Terahertz Waves using Meta-Liquid Crystals

本研究では、液晶を内包する電磁メタマテリアルであるメタ液晶を独自に構想し、具現化するとともに、それによりテラヘルツ（THz）波の高速変調技術を切り拓く。申請者は、THz帯における伝搬制御素子に対する需要の高まりから、液晶を用いた動的THz素子に関する研究を行ってきた。その過程で、金属からなる等方的メタマテリアル中で液晶を配向させることにより、液晶単体では得られない程度に大きな複屈折が発現することを見出した。こういったサブ波長構造に起因する特異な電磁特性と、液晶由来の多様な外場応答性から、メタ液晶は各種THz波応用の高度化と普及を実現に導く革新的材料であると確信している。本研究では、このことを実証すべく、THz波のイメージング応用を対象とし、メタ液晶によって、50 fps程度のフレームレートで動作する電圧駆動空間THz変調器を開発する。また、高速通信応用に特化した、数十Gbit/s級の光駆動高速THz変調システムの創製にも挑む。令和4年度は、当初の予定通り、メタ液晶の電磁物性を数値シミュレーションによって検討した。応用上重要な指標となる透過率と実効的なリタデーションが、メタ原子の寸法によってどのように変化するのかを系統的に計算し、メタ液晶がTHz帯における変調器用材料として有用であることを実証した。また、機械学習を用いたメタ液晶の構造探索についても検討を開始し、遺伝的アルゴリズムに基づくトポロジー最適化の手法が、メタ原子形状の設計に有益であることも実証した。

本研究では、液晶を内包する電磁メタマテリアルであるメタ液晶を独自に構想し、具現化するとともに、それによりテラヘルツ（THz）波の高速変調技術を切り拓く。申請者は、THz帯における伝搬制御素子に対する需要の高まりから、液晶を用いた動的THz素子に関する研究を行ってきた。その過程で、金属からなる等方的メタマテリアル中で液晶を配向させることにより、液晶単体では得られない程度に大きな複屈折が発現することを見出した。こういったサブ波長構造に起因する特異な電磁特性と、液晶由来の多様な外場応答性から、メタ液晶は各種THz波応用の高度化と普及を実現に導く革新的材料であると確信している。本研究では、このことを実証すべく、THz波のイメージング応用を対象とし、メタ液晶によって、50 fps程度のフレームレートで動作する電圧駆動空間THz変調器を開発する。また、高速通信応用に特化した、数十Gbit/s級の光駆動高速THz変調システムの創製にも挑む。令和4年度は、当初の予定通り、メタ液晶の電磁物性を数値シミュレーションによって検討した。応用上重要な指標となる透過率と実効的なリタデーションが、メタ原子の寸法によってどのように変化するのかを系統的に計算し、メタ液晶がTHz帯における変調器用材料として有用であることを実証した。また、機械学習を用いたメタ液晶の構造探索についても検討を開始し、遺伝的アルゴリズムに基づくトポロジー最適化の手法が、メタ原子形状の設計に有益であることも実証した。