【公開日：2023.07.28】【最終更新日：2023.04.17】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
22TU0142
利用課題名 / Title
対称性を制御した光メタマテリアルの作製 / Fabrication of Symmetry-Controlled Optical Metamaterials
利用した実施機関 / Support Institute
東北大学 / Tohoku Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions
キーワード / Keywords
リソグラフィ/Lithography, EB, 膜加工・エッチング/Film processing and Etching, スピントロニクスデバイス, メタマテリアル
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
松原 正和
所属名 / Affiliation
東北大学大学院理学研究科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
関根大輝，村山尚紀，小柳恭徳，竹谷英久
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
光の波長より十分に小さな構造を持つ人工物質（メタマテリアル）を用い、自然界に存在する物質では実現できない光学応答を生み出すことが可能となっている。現在、メタマテリアルを用いた光－物質機能の制御は非線形光学応答の領域にまで拡大してきており、このような「非線形メタマテリアル」の開発は新規光－物質機能の開拓に向け大きな可能性を秘めている。
本研究では、非線形光学応答が物質の対称性と密接に関係している点に着目し、新規な非線形光学機能を開拓するために対称性を制御した種々の非磁性体・磁性体からなる光メタマテリアルを作製した。
実験 / Experimental
EB描画装置（エリオニクス ELS-G125S）を用いて、対称性を制御した光メタマテリアルを作製した。それらの試料を用いて、光第二高調波発生や光ガルバノ効果などの非線形光学応答を研究室の光学系を用いて調べた。
結果と考察 / Results and Discussion
金（Au）の薄膜に、数百ナノメートル周期の対称性の異なるいくつかのナノ構造を描画した。作製した試料の典型的な原子間力顕微鏡（AFM）像をFig. 1に示す。4回回転対称性を有する光メタマテリアルをほぼ設計通り作製することに成功した。また、これらの試料を用い、光第二高調波発生や光ガルバノ効果を測定したところ、対称性を反映するシグナルの観測に成功した。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
Fig. 1 AFM image of optical metamaterial made by Au
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
本研究を遂行するにあたりご協力を頂きました東北大学マイクロシステム融合研究開発センターの辺見政浩さんに御礼申し上げます。
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Daiki Sekine, Nonlinear optical detection of mesoscopic magnetic toroidal dipoles, Applied Physics Letters, 120, (2022).
DOI: 10.1063/5.0089235
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Masakazu Matsubara, Polarization-controlled tunable directional spin-driven photocurrents in a magnetic metamaterial with threefold rotational symmetry, Nature Communications, 13, (2022).
DOI: 10.1038/s41467-022-34374-7
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- M. Matsubara, “Nonlinear optical effects in magnetic metamaterials” The 6th A3 Metamaterials Forum, 令和4年6月28日．
- 小柳恭徳, 関根大輝, 松原正和, “非線形光学によるナノ空間の対称性マッピング” 日本物理学会2022年秋季大会, 令和4年9月13日
- D. Sekine, T. Sato, Y. Tokunaga, T. Arima, and M. Matsubara, “Real space imaging of multipolar domains in MnTiO<sub>3</sub>”新学術領域研究「量子液晶の物性科学」令和4年度領域研究会, 令和4年12月
- 関根大輝, 佐藤樹, 徳永祐介, 有馬孝尚, 松原正和, “光第二高調波発生を用いた多極子ドメインの実空間観察” 東北大学理学・生命科学研究科合同シンポジウム2023, 令和5年2月17日
- 竹谷英久, 加藤剛志, 松原正和, “極性強磁性メタマテリアルにおけるゼロバイアス光電流の生成” 日本物理学会2023年春季大会, 令和5年3月22日
- 関根大輝, 佐藤樹, 徳永祐介, 有馬孝尚, 松原正和, “MnTiO<sub>3</sub>における多極子ドメインの非線形光学イメージング” 日本物理学会2023年春季大会, 令和5年3月24日
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件