人工光学材料：メタマテリアル岡山大学大学院自然科学研究科（工・電気通信） 石川篤・鶴田健二メタマテリアルによる新奇な光学特性物質中での光の振る舞いは、屈折率で決まります．メタマテリアルを用いると、特異な屈折金属ナノ構造率と材料分散を有する光学材料を作り出すことができ、従来にない光機能が実現できます．原子や分子 n = 1.3 正の屈折光負の屈折光自然界の物質 n = -1.3 速い光・遅い光負の屈折率透明マント人工ブラックホールメタマテリアル光の波長よりも小さな微細構造体では、材料そのものよりも、構造由来の特性が全体の光応答を決めるという性質が現れます．私たちは、微細構造体をうまくデザインすることで、新奇な光学特性を示す人工光学材料“メタマテリアル”を作り出す研究をしています．真空よりも低い屈折率を示す三次元メタマテリアル私たちは、トップダウン的な手法とボトムアップ的な手法を融合させることで、三次元金属ナノ構造でできたメタマテリアルを高精度かつ大量に作製することに成功しました． 25 µm 2.5 µm 三次元金属ナノ構造の電子顕微鏡像メタマテリアルの光学特性を評価した結果、中赤外領域の光に対して、0.35という真空の屈折率よりも低い屈折率を示すことを実証しました．光を完全に吸収してしまうメタ表面金属は、その高い反射率のために光をほとんど吸収しません．私たちは、金表面にナノ構造を作り込むことで、光反射を抑制し、入射光を完全に吸収してしまう光吸収メタ表面を実現しました． □26mm 光吸収メタ表面表面構造の電子顕微鏡像 MgF2 Au Au 1次モード (1540cm-1) 光吸収の実験結果光吸収メタ表面は、その表面近傍に光を長時間捕捉することができ、これを応用することで超高感度な光センサが実現できます．私たちは、従来の手法では検出が困難であった、極微量（アトモルレベル）の有機分子を高感度に検出できる、メタ表面増強赤外分光法を開発しました．電磁界分布の計算結果炭素原子一層でできた光制御メタマテリアル光学特性が電圧制御可能な炭素原子の２次元シートであるグラフェンを用いた、チューナブルメタマテリアルを作製し、グラフェン構造やキャリア密度に応じた特異な光応答の実証に成功しました．ゲート電界 (a.u.) -1 +1 Vg = -‐V1 □10mm Vg = 0 ソースドレインゲートグラフェンメタマテリアルグラフェン構造の顕微鏡像 Vg = +V1 実験グラフェン計算 SiO2 P++-Si THz応答の実験結果電磁界分布の計算結果グラフェンメタマテリアルへの印加電圧を制御することで、THz波の伝搬方向を広角（±53º）、高効率（≧60％）、高速（≦0.6ps）にスキャンできることを実証しました．