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~

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2023-09-29 東北大学,京都工芸繊維大学,大阪大学,科学技術振興機構

ポイント
  • 誘電体である周期構造を持つフォトニック結晶の誘電率(格子点)配列を緩やかに歪ませた「歪(ひずみ)フォトニック結晶」を用いてテラヘルツ電磁波の伝搬方向を曲げることに成功しました。
  • 歪フォトニック結晶の効果は一般相対性理論における重力場が生み出す「歪んだ空間」に対応し、電磁波の伝搬方向の曲げはフォトニック結晶での電磁波に対する疑似重力効果を実現できることを示しています。
  • フォトニック結晶をプラットホームとした基礎物理科学の発展に加え、次世代の移動通信システム「6G」とその未来に向けて利活用が期待されるテラヘルツ電磁波を制御するための基盤技術として期待できます。

電磁波の伝搬方向は、屈折率の空間分布で決定されます。一方、アインシュタインの一般相対性理論によれば、時空間の歪によって生じる重力場も電磁波の伝搬方向に影響を及ぼします。

東北大学 大学院工学研究科の北村 恭子 教授(2023年8月まで京都工芸繊維大学に在籍)と大阪大学 大学院基礎工学研究科の冨士田 誠之 准教授らの研究グループは、周期的な屈折率分布を持つフォトニック結晶の格子点の位置を空間的に連続的に緩やかに変化させ、電磁波に対する時空間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現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電磁波に作用する歪フォトニック結晶を作製し、電磁波の伝搬方向を曲げることに成功しました。この性質は、テラヘルツ電磁波を用いる次世代移動通信システム「6G」で電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。

本研究は、科学技術振興機構(JST) 戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)「トポロジカル材料科学と革新的機能創出」研究領域における研究課題「歪(ひずみ)フォトニック結晶科学の構築と新奇ビームレーザーへの展開(JPMJPR20L3)」(研究代表者:北村 恭子)およびチーム型研究(CREST)「情報担体を活用した集積デバイス・システム」研究領域における研究課題「時空間分布制御テラヘルツ集積デバイスシステムの創成(JPMJCR21C4)」(研究代表者:冨士田 誠之)の一環として行われ、その一部は科研費の支援を受けました。

<プレスリリース資料>
  • 本文 PDF(788KB)
<論文タイトル>
“Deflection of electromagnetic waves by pseudogravity in distorted photonic crystals”
DOI:10.1103/PhysRevA.108.033522
<お問い合わせ先>

<研究に関すること>
北村 恭子(キタムラ キョウコ)
東北大学 大学院工学研究科 電子工学専攻 教授

冨士田 誠之(フジタ マサユキ)
大阪大学 大学院基礎工学研究科 准教授

<JST事業に関すること>
安藤 裕輔(アンドウ ユウスケ)
科学技術振興機構 戦略研究推進部 グリーンイノベーショングループ

<報道担当>
沼澤 みどり(ヌマサワ ミドリ)
東北大学 大学院工学研究科 情報広報室

京都工芸繊維大学 総務企画課 広報係
大阪大学 大学院基礎工学研究科 庶務係
科学技術振興機構 広報課

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