岩本 敏/IWAMOTO Satoshi

岩本 敏 准教授

【研究分野】
ナノ物理・デバイス分野
【研究領域】
ナノオプトエレクトロニクス、トポロジカルフォトニクス、トポロジカル波動工学
【研究室URL】
http://www.iwamoto.iis.u-tokyo.ac.jp/

研究内容

岩本研究室では、フォトニック結晶などのフォトニックナノ構造の基礎とそれらを用いた光および光と物質の相互作用の制御の物理およびその応用に関する研究を行っています。また、フォトニックナノ構造による光の角運動量制御や、光や弾性波のトポロジカルな性質の探求とその活用を目指したトポロジカル波動工学に関する研究も推進しています。研究活動においては、東京大学ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構、東京大学生産技術研究所ホームズ研究室とも連携しています。

フォトニック結晶とは光の波長程度の屈折率周期構造をもつ人工光学材料であり、それを利用することで従来の材料では困難であった数々の光制御技術や特異な光学現象などの実現が可能となります。特に、周期構造に人工的に“欠陥“を導入することで形成される光ナノ共振器では、波長程度の領域に光が非常に強く閉じ込められるため、既存光デバイスの小型化だけでなく、光と物質の相互作用が増強されることを利用した新現象の発現と量子情報デバイスへの応用が期待できます。図1(a)はフォトニック結晶光ナノ共振器の電子線顕微鏡(SEM)写真です。中心部の1m程度の領域に光を強く閉じ込めることができます。図1(b)は数値計算により求めた共振器モードの空間分布です。一波長程度の共振器部分に光が局在している様子が示されています。

また、フォトニック結晶やその他のフォトニックナノ構造を用いることで、光の様々な特徴や自由度を高度に制御し利用することが出来ます。光のトポロジカルな性質もその一つで、物性科学で重要な役割を担っているバンドトポロジーの概念とフォトニクスに導入したトポロジカルフォトニクスが注目を集めています。我々は半導体フォトニック結晶技術を活かした半導体トポロジカルフォトニクスの開拓も目指しています。

テーマの例

高品質フォトニックナノ構造の実現とその応用

フォトニックナノ構造は光の波長程度の特徴的サイズを有するため、所望の特性を実現させるためには、数値解析による設計と高品質な構造の作製が不可欠です。我々は、蓄積された知見と高度な技術に立脚して、高品質なフォトニック構造の実現を目指した研究を進めています。また、これらの構造を用いて、人工的に制御された輻射場中での物質と光の相互作用の物理の探求や、高効率レーザや量子情報素子に関する研究を推進しています。

フォトニックナノ構造を用いた光と物質の相互作用制御

物質の光学応答は自身がおかれた輻射場環境に依存します。そのため、フォトニックナノ構造により人工的に輻射場を制御することで、物質の光学応答を制御することが可能となり、光デバイスの高効率化や従来にない光学応答の実現とそれを利用した新規デバイスの実現などが期待できます。我々は、量子ドットなどの発光体を含むフォトニック結晶やフォトニック結晶ナノ共振器などを用いて、その発光制御とそのデバイス応用、共振器量子電気力学などの物理(図2)の探求や量子光学素子への展開などに取り組んでいます。また、光の角運動量制御や光のスピン軌道作用の基礎と応用に関する研究も進めています。

トポロジカルフォトニクス

周期構造中の光や、周期構造中の音波や弾性波の伝搬は、結晶中の電子と同様にバンド構造に支配されます。物性科学では、このバンドのトポロジカルな性質(バンドトポロジー)が新たな物質相の発現などに重要な役割を担っています。このバンドトポロジーの概念をフォトニック結晶中の光や周期構造中の音波や弾性波に適用し、新たな機能を発現・応用しようとするのが、トポロジカルフォトニクス、トポロジカルフォノニクスと呼ばれる新しい分野です。

我々は、半導体フォトニック結晶技術を駆使し、半導体トポロジカルフォトニクスの開拓を目指した研究を理論・実験の両面から推進しています(図3)。また、よりサイズの大きなフォノニック結晶を用いて、トポロジカルな弾性波状態の制御とその応用にも取り組んでいます(図4)。

学生へのメッセージ

光と物質の相互作用は、我々の生活に不可欠な物理過程ですが、豊かな物理と様々な応用の可能性を秘めた魅力的な研究対象です。我々は、物理と技術に立脚して、その主役の一人である“光”を制御することで、この対象に取り組んでいます。議論を重ねながら新しい研究・分野を開拓しようという、野心と強い意欲に溢れた皆さんの参加を期待しています。見学などはいつでも歓迎です。気軽にコンタクトしてください。

図1:(a)フォトニック結晶ナノ共振器と(b)共振器モードの電場強度分布
図2:量子ドットとフォトニック結晶ナノ共振器の強結合状態
図3:半導体トポロジカルフォトニクス
図4:擬似一次元フォノニック結晶中に形成される弾性波のトポロジカル局在状態