フォトニック結晶で一般相対性理論に基づく疑似重力効果を実現 ～次世代6G通信の電磁波制御用基盤技術として期待～

フォトニック結晶で一般相対性理論に基づく疑似重力効果を実現～次世代6G通信の電磁波制御用基盤技術として期待～

2023年9月29日 14:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇大学院工学研究科电子工学専攻
教授　北村恭子

【発表のポイント】

诱电体である周期构造を持つフォトニック结晶^（注1）の诱电率（格子点）配列を缓やかに歪(ひず)ませた「歪（ひずみ）フォトニック结晶」を用いてテラヘルツ电磁波^（注2,3）の伝搬方向を曲げることに成功しました。
歪フォトニック结晶の効果は一般相対性理论における重力场が生み出す「歪んだ空间」に対応し、电磁波の伝搬方向の曲げはフォトニック结晶での电磁波に対する疑似重力効果を実现できることを示しています。
フォトニック结晶をプラットホームとした基础物理科学の発展に加え、次世代の移动通信システム「6G」とその未来に向けて利活用が期待されるテラヘルツ电磁波を制御するための基盘技术として期待できます。

【概要】

　电磁波の伝搬方向は、屈折率の空间分布で决定されます。一方、アインシュタインの一般相対性理论によれば、时空间の歪によって生じる重力场も电磁波の伝搬方向に影响を及ぼします。

　东北大学大学院工学研究科の北村恭子教授（2023年8月まで京都工芸繊维大学に在籍）と大阪大学大学院基础工学研究科の冨士田诚之准教授らの研究グループは、周期的な屈折率分布を有するフォトニック结晶の格子点の位置を空间的に连続的に缓やかに変化させ、电磁波に対する时空间の歪を人工的に生成させることで疑似的な重力の効果を発现できると考えました。そこで本研究では、300ギガヘルツ帯のテラヘルツ电磁波に作用する歪フォトニック结晶を作製し、电磁波の伝搬方向を曲げることに成功しました。この性质は、テラヘルツ电磁波を用いる次世代移动通信システム「6G」で电磁波の制御に活用できる可能性があります。

　本成果は、2023年9月28日に米国物理学会の専門誌Physical Review Aにてオンライン公開されました。

図1. 歪フォトニック結晶と通常のフォトニック結晶の模式図。a⁽⁰⁾は正方格子フォトニック结晶における格子点の周期（格子定数）であり、歪フォトニック结晶ではその基本周期a⁽⁰⁾から、わずかに変化させる。平均的な诱电率を一定にするため、格子定数の変化に応じて、孔の大きさrも変化させる。

【用语解説】

注1　フォトニック结晶：
固体结晶と类似の周期的な诱电率分布を有する构造であり、电磁波の波长程度の周期を有する。

注2　电磁波：
电界と磁界の変化が伝搬する波であり、波长、もしくは周波数の违いによって、电波、光（赤外线、可视光线、赤外线）、齿线、?线などと呼ばれる。周波数3テラヘルツ以下の电磁波が电波で、3テラヘルツ以上が光である。

注3　テラヘルツ电磁波：
およそ100ギガヘルツ（0.1テラヘルツ）から10,000ギガヘルツ（10テラヘルツ）の电波と光の中间领域の周波数を有する电磁波。电波の透过性と光の直进性をあわせもち、次世代の情报通信システムでの利活用が期待されている。300ギガヘルツ（0.3テラヘルツ）は波长1ミリメートルに相当する。

详细（プレスリリース本文）