野村 政宏/NOMURA Masahiro

野村 政宏 准教授

【研究分野】
ナノ物理・デバイス分野
【研究領域】
量子融合エレクトロニクス、フォノニクス
【研究室URL】
http://www.nlab.iis.u-tokyo.ac.jp/

研究内容

半導体レーザや微小電気機械素子(MEMS)など、エレクトロニクス、フォトニクス、メカニクスの複合技術によるデバイスは、広く社会で用いられています。そして、半導体ナノ構造の導入によって量子効果に基づく新機能をそれらのデバイスに付与し、さらに高機能・高性能な次世代半導体デバイスの創出が可能になってきています。本研究室では、量子効果が顕著に現れる半導体ナノ構造をもつ、エレクトロニクス-フォトニクス-メカニクス融合系における特有の物理現象の探索を行い、量子物性制御型の新機能ナノデバイスの実現を目指して研究を進めています。最近は、特に半導体ナノ構造中のナノサイエンスに立脚したデバイスの実現によるエネルギー・環境分野での社会貢献を意識した研究を行っています。

シリコンフォノニクスの熱電発電応用

人類が作り出したエネルギーの半分以上が廃熱となっており、低品位な廃熱を電気エネルギーとしてリサイクルすることで、社会全体のエネルギー使用効率を高める必要があります。また、環境からエネルギーを自ら取り込んで動くエネルギー自立デバイス用電源(エネルギーハーベスター)の実現は、新しいエネルギー供給手法を提供し、新たな産業や社会システムをもたらすと期待できます。我々は、これらを可能にする高効率熱電変換材料の開発に力を入れています。熱電変換材料の課題は、高効率化と高環境負荷材料からの脱却です。本研究室では、低環境負荷なシリコンを材料に選択し、材料のナノ構造化で発現する物理を利用して熱電変換能を飛躍的に高める研究を進めています(図1)。

フォノニクスによる熱伝導率の人工制御

〜フォトンとフォノンのアナロジー〜
フォノニクスは、格子振動の伝播制御を扱う学問、技術であり、熱電変換能を桁違いに増強可能であるという応用上の魅力だけでなく、材料固有の熱伝導率を人工的に制御できるという、濃い学術的色彩を帯びています。シリコンに100nm程度の微細な空孔を設けた周期構造(フォノニック結晶ナノ構造)を作製し、熱の運び手であるフォノンの伝導をコヒーレントに制御することで、熱伝導制御を行っています。これは、格子振動のもつ波動性を利用したフォノン輸送制御であり、光と同様のバンド理論で理解できます(図2)。しかし、熱伝導の場合は、制御対象のフォノンの周波数が何桁にも及ぶため、電子や光よりも輸送制御が難しく、チャレンジングな研究テーマです。ナノスケール熱伝導は、日常のスケールとは異なる物理が支配する世界であり、パルスレーザなどを用いた時間分解熱反射測定法によってその特徴的な物理の観測を行い、ナノ構造化による熱伝導率の人工制御に成功しています(図3)。

オプトメカニクス系の物理と応用

ナノスケールの物理系においては、光子のもつ運動量や光勾配力も構造に無視できない影響を与えます。オプトメカニクスによる半導体ナノ構造の高効率な振動光制御を目的とし、フォトニック結晶ナノ共振器で格段に増強された光とナノ構造機械振動間の結合の観測を行っています。波長1.5μm帯で極めて強い光と機械振動の相互作用を実現するよう設計したのち、電子線描画装置や反応性イオンエッチング装置を用いてナノ加工を行ってデバイスを作製し、波長可変半導体レーザと近赤外領域顕微分光システムを用いて特性評価を行っています(図4)。従来の低温技術と組み合わせることで、レーザ光でナノ構造の振動を著しく抑制(レーザ冷却)し、フォノンの量子力学的基底状態にまで到達することが可能になってきており、量子情報科学への応用を目指しています。

学生へのメッセージ

研究のモチベーションには、社会のニーズに応えるdemand-drivenのものや、curiosity-drivenのものなどがあるでしょう。本研究室ではdemandに応えるデバイスの実現につながるcuriosity drivenな研究を目指しています。興味がある方は研究室のホームページをのぞいてみて下さい。質問、見学希望などありましたらお気軽にご連絡下さい。

図1:高効率熱電変換デバイスによるエネルギー・環境面での社会貢献
図2:フォノンバンドエンジニアリングによるフォノン輸送(熱伝導)制御
図3:時間分解微小領域熱反射測定系とシリコンナノ構造の熱伝導率測定
図4:GaAsオプトメカニクス系の物理(主にレーザ冷却)