シリコンや窒化ガリウムから作られたトポロジカル光子結晶!

Topological photonic crystal (トポロジカル光子クリスタル、あるいは、トポロジカル光子結晶)、光子結晶と言うと高脂血症と変換されるし、真っ先にその言葉が思い出されますが、トポロジカル光結晶が一番いいかもしれません。そんな不思議な結晶が今回シリコンから作られたということです。かなり画期的です。

しかし、最近は本当にトポロジカルがブームになっているようで、このトポロジカルという言葉は毎日のように目にします。トロピカルなら美味しそうなんですがね。

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トポロジカル光子状態

Topological photonic crystal made of silicon

WPI-MANA の研究者たちが、純粋にシリコンをベースにしたトポロジカル光子状態(位相光子状態)を導き出す事に成功し、この事は、半導体エレクトロニクスとの一体化を通して、新機能と新デバイスの開発を引き起こす可能性があるとの事です。

WPI International Center for Materials Nanoarchitectonics = 国際ナノアーキテクトニクス研究拠点

トポロジーは、連続変形しても、物体のつながり方は同じという事を説明している数学的コンセプトです。近年、トポロジーが物質の電子状態においても定義され得ることが指摘されていて、この事が、物理学者達に、物質のユニークな性質を説明するための、統合された有益な絵を与えてくれています。

トポロジカルナノアーキテクトニクスの異名を持つ新しいアプローチを基に、MANAとNIMSの論理物理学者達が、光を含む電磁波を、散乱することなく2次元光結晶のエッジ上を伝播させる新しい原理を明らかにしています。

National Institute for Materials Science (NIMS)、国立研究開発法人物質・材料研究機構

トポロジカル光子結晶

It was known that scattering of light by defects in conventional photonic crystals can be suppressed in topological photonic states, but so far special materials were required in order to create topological photonic crystals. However, the MANA researchers discovered a new principle which makes it possible to realize a topological photonic crystal by merely adjusting the positions of insulator or semiconductor nanorods in a honeycomb lattice, without using any special material or complicated structure. When hexagonal clusters are formed by adjusting the positions of nanorods, electromagnetic modes carrying spin, which is conventionally specific to electrons, appear. As a result, the MANA researchers theoretically clarified that a photonic crystal exhibits topological properties when the separation between hexagonal clusters is narrowed from that of the honeycomb lattice.

「通常の光子結晶中の欠陥による光の散乱が、topological photonic states (トポロジカル光子状態)では、抑制できることは知られていましたが、これまでは、トポロジカル光子クリスタルを作るには特殊な物質が必要でした。しかし、MANAの研究者達は、特殊材料や複雑構造体を一切使うことなく、ハニカム格子中の絶縁体ナノロッドや、半導体ナノロッドの位置を調整するだけで、トポロジカル光子結晶を実現可能にさせる、新しい原理を見出しました。六角クラスターが、ナノロッドの位置を調節することで形成されると、通常は電子に特有である、スピンを持つ電磁モードが現れます。結果として、MANA研究者たちは、六角クラスター間の距離間隔が、ハニカム格子の距離間隔から狭められると、光子結晶が位相的な性質を発現する事を、理論的にはっきりと明らかにしています。」

シリコンベースの位相光結晶

この光子結晶の新しい性質が、シリコンとGaN(窒化ガリウム)、あるいは、シリコンや窒化ガリウム単体等の半導体によってでさえ得られるので、さまざまな新しい機能が、安定した半導体エレクトロニクスと電磁波の卓越した位相的性質によって実現された情報処理機能の一体化によって期待されています。

シリコン製のトポロジカル光子クリスタルによって、将来的に超高速なコンピュータの開発が可能になるみたいな感じです。シリコンベースの半導体技術は成熟しまくってるし、電磁波技術も右に同じで、この二つのありふれた技術を使って、次世代超高速パソコンが可能になるかもしれないということみたいです。

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