メタマテリアルにおける「重い光子」の特性測定とその基礎理論

本研究は、(1) マイクロ波領域で応答を示す金属カゴメ格子による電磁波の閉じ込め効果の検証、および、(2) 空隙の電圧・磁束を下にした回路モデルの確立の二つを目的としている。以下にそれぞれの研究に関して今年度の実績の概要を示す。(1) メタマテリアルにおける「重い光子」の特性測定を試みた。マイクロ波用の測定器を用いた実験を行ったが、固有モードが励振できず特性を明らかにすることはできなかった。一方で、研究を推進する過程で、金属カゴメ格子の透過スペクトルに関する新たな知見を得た。金属六角格子と金属カゴメ格子のテラヘルツ透過スペクトルを測定することにより、フラットバンドを除いてバンド構造が一致するという現象を観測した。さらに、この対応が幾何学的に説明できることを新たに見い出した。このような現象の観測はいままでになされておらず、メタマテリアルにおける新たな物理現象を見い出したと言える。(2) 「2次元金属格子に対するポジ・ネガ反転は, 回路モデルの双対回路化に対応する」という予言については前年度に解決した。さらに、ポジ・ネガ反転で不変な構造である自己補対メタ表面に関した新たな知見も前年度に明らかにした。本年度は上記研究成果に基づき、自己補対メタ表面の特異な応答をテラヘルツ領域で実験的に実現するための議論を進めた。この議論に基づき、前年度の研究成果で予言された自己補対メタ表面の周波数無依存の透過特性が観測された。これまで、メタマテリアル分野において、自己補対性のような隠された対称性がメタマテリアルの電磁応答に与える影響についての知見は存在しなかった。このため、本研究成果によって、メタマテリアル分野に自己補対性の新たな地平を生み出すことができたと言える。

本研究は、(1) マイクロ波領域で応答を示す金属カゴメ格子による電磁波の閉じ込め効果の検証、および、(2) 空隙の電圧・磁束を下にした回路モデルの確立の二つを目的としている。以下にそれぞれの研究に関して今年度の実績の概要を示す。(1) メタマテリアルにおける「重い光子」の特性測定を試みた。マイクロ波用の測定器を用いた実験を行ったが、固有モードが励振できず特性を明らかにすることはできなかった。一方で、研究を推進する過程で、金属カゴメ格子の透過スペクトルに関する新たな知見を得た。金属六角格子と金属カゴメ格子のテラヘルツ透過スペクトルを測定することにより、フラットバンドを除いてバンド構造が一致するという現象を観測した。さらに、この対応が幾何学的に説明できることを新たに見い出した。このような現象の観測はいままでになされておらず、メタマテリアルにおける新たな物理現象を見い出したと言える。(2) 「2次元金属格子に対するポジ・ネガ反転は, 回路モデルの双対回路化に対応する」という予言については前年度に解決した。さらに、ポジ・ネガ反転で不変な構造である自己補対メタ表面に関した新たな知見も前年度に明らかにした。本年度は上記研究成果に基づき、自己補対メタ表面の特異な応答をテラヘルツ領域で実験的に実現するための議論を進めた。この議論に基づき、前年度の研究成果で予言された自己補対メタ表面の周波数無依存の透過特性が観測された。これまで、メタマテリアル分野において、自己補対性のような隠された対称性がメタマテリアルの電磁応答に与える影響についての知見は存在しなかった。このため、本研究成果によって、メタマテリアル分野に自己補対性の新たな地平を生み出すことができたと言える。