世界初!光トポロジカル絶縁体を自由に生成・制御、ナノレーザにて

同相な写像、すなわち平行移動・回転・裏返し・拡大・縮小の範囲で合成できる変換を施しても保たれる図形的性質。これを研究する幾何学を「トポロジー」という(岩波国語辞典第七版より)。


それは物に開いた穴の数のように、強固で離散的な性質を指す概念。この概念を物質中の電子の量子力学的波動関数に導入し、様々なトポロジカル物性を解明した3名が'16年ノーベル物理学賞に輝いた。物質波が持つトポロジーでは近年、フォトニック結晶、結合共振器、結合導波路等の人工的な光学構造に光の絶縁性および特殊な光トポロジーを発生させた「光トポロジカル絶縁体」の研究が進んでいる。

特定波長域の光を通さないのにその端では「トポロジカルエッジ状態」が発生し、構造乱れにより生じる反射や散乱損失が抑制された光導波路として働く。光トポロジカル絶縁体は、互いに逆向きの円偏光の照射によって、逆向きに伝搬する二つのエッジ状態を個別に励起できる光ルーティング素子様の性質も持つ。が従来、作り付けの特殊な構造により光トポロジーを生成していたため、エッジ状態の位置や数は固定されてしまい、外部信号の印加によりそれらを後から自在に制御できない――制約はデバイスへの応用上不利だったという。

NTTは、東京工業大学と共同で、素子構造の乱れに強い光デバイスに応用できる「光トポロジカル絶縁体」について、商用レーザ、光増幅器、変調器等で電流制御されている光の増幅利得及び吸収損失のみを用いてそれを自由に生成・制御する手法を、世界で初めて発見した。

直線状かつ等間隔に配列した超小型共振器レーザ(ナノレーザ)アレイを用いた。今回、材料への電流注入により、利得を持つ共振器二つ、吸収を持つ共振器二つが各々連続した四共振器単位の周期を実現することで、光絶縁性を示すフォトニックバンドギャップ及びエッジ状態の両方を生成できることを見出し、これが光トポロジカル絶縁体として機能することを理論的に実証した。

それは従来のものと同様、構造(結合)や電流の乱れに強固なエッジ発光状態を持つ。さらに同手法では、電流制御によりトポロジカル絶縁体を任意の場所に自由に生成し、消滅させられる。この特徴により、同一のレーザアレイを用いて、エッジ状態を持つ光トポロジカル絶縁体部分と、エッジ状態を持たない通常の光絶縁体部分とを、電流制御により動的かつ自在に書き換えられ、任意の場所に乱れに強い界面エッジ状態を形成可能だという。

将来の応用において構造乱れに強く、様々な新奇特性が期待されるトポロジカル光回路に、外部信号による制御性が加わることにより、新現象や新技術への道を拓くと期待される。この度の研究は、一部JST CREST「集積ナノフォトニクスによる超低レイテンシ光演算技術の研究」の助成を受けて行われたものであり、成果は米国科学雑誌「フィジカル・レビュー・レターズ」電子版に掲載された。

電流による光トポロジカル絶縁体の生成・制御法を提案

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