図 2 負の屈折率が作り出す Veselago レンズでの 2 重結像と完全結像 : 左は通常の誘電体スラブの場合の屈折状況, 右ではスラブが負屈折率になることによりスラブ内外で 2 回の結像が生じる. 波動的な解析を行うと負屈折率は完全結像となると予想されている.(RH:Right Hand, L

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ひでよりやまがた
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Basics of Meta-materials/Jun-ichi KATO 理化学研究所超精密加工技術開発チーム加藤純一 1. はじめに精密工学会の皆様にとってメタマテリアルという言葉は, まだ馴染みのないものだろう. 筆者が別途所属する応用物理学会においてさえ, 講演分科のキーワードではいまだ市民権を得ているとはいえない.

自ら専らとしている技術領域とはどうもまだまだ接点はなさそうだと思いながら, メタマテリアルとは一体どのようなもので, その将来の実力はどの程度のものであるのか? と興味をおもちの方も多いだろう. はじめての精密工学でメタマテリアルを取り上げるのは, その意味で時節に沿っている. ところで, いただいたお題はメタマテリアルの基礎とある, さて困りました.

1 Basics of Meta-materials/Jun-ichi KATO 理化学研究所超精密加工技術開発チーム加藤純一 1. はじめに精密工学会の皆様にとってメタマテリアルという言葉は, まだ馴染みのないものだろう. 筆者が別途所属する応用物理学会においてさえ, 講演分科のキーワードではいまだ市民権を得ているとはいえない. しかしこの数年, さ 1) 2) まざまな学会誌での解説や雑誌新聞記事などにおいてもたびたび取り上げられ負の屈折率透明マント ( クローキング ) 完全レンズなどの刺激的でかつ何となくあやしい (?) 技術の実現の可能性とともに語られている. 自ら専らとしている技術領域とはどうもまだまだ接点はなさそうだと思いながら, メタマテリアルとは一体どのようなもので, その将来の実力はどの程度のものであるのか? と興味をおもちの方も多いだろう. はじめての精密工学でメタマテリアルを取り上げるのは, その意味で時節に沿っている. ところで, いただいたお題はメタマテリアルの基礎とある, さて困りました. メタマテリアルの概念は, いわばアンテナ工学の世界を電波から光の波長サイズにダウンサイジングしたようなもので, ガチガチの電磁気学の話と, 光の波長以下の構造の光応答の絡む話だ. 基礎といわれても, どこから紐解けば良いかも難しいし, とても筆者の担えるテーマではない ( 自分とて完全に理解できていない ). そこで, 筆者なりにメタマテリアルをどう見ているのかという観点から, 理論には立ち入らず, その基本的イメージをお伝えすることとする. 精密工学における注視点を一点挙げるとすると, メタマテリアルを本当に使える技術として実現するということは, 今後の新たなナノマイクロ加工製造技術を一層高める 1 つの標的となり得るという意味で重要な意味をもっている. 2. そもそものメタマテリアルメタマテリアル (metamaterial または meta-material) とは何か? meta という接頭語は超越したとか上位のといった意味合いともいわれるが, もともとは変化の意味から来る. メタボ (metabolic: 代謝, 変態 ) でおなじみです. つまり, 性質を( 人工的に ) 変化させた物質と定義するのがわかりやすい.2000 年に実験的にマイクロ波領域での負の屈折率の実証実験を行うとともにこの言葉を導入した 3)4) D.R.Smith( 当時米 UCSD, 現在 Duke 大 ) は, 実にうまい造語をしたものである. さて, この負の屈折率だが, 屈折率 n はわれわれの接する通常の物質世界では 1 2 程度の値をとる.SiとかGe のような半導体材料は, そのバンドギャップエネルギ以下の波長の赤外光はよく透過し,3 4 の屈折率を示すが, 人間の感じる波長 ( 可視光 ) では吸収され見た目には黒っぽく不透明である. また, 屈折率は 1 を下回ることもある. 例えばレーザ加工などで生じる, プラズマ化したプルームの屈折率などがその例である. しかし, その値が負になるなどとは聞いたこともない話で, 当時は大きな驚きと疑念をもって受け止められた. そもそも光は電磁波であるので, 物質の電子的磁気的な性質を感じながら ( 正確にはほとんどは物質中の電気分極の波とエネルギをやりとりしながら ) 物質中を進む. この電気分極の波と入射光の重ね合わせにより, いわばこれに引きずられる形で入射光の位相速度が遅くなり, それが物質の屈折率を決める. ここでは, 光の電場の変化に対する電子の動きやすさの指標である誘電率 e( 厳密にはその実部 ) が主に効いている. ガラスのような誘電体では, 構成分子の分極が入射光の電場に応答するが, 電子は原子に束縛され入射電場に見合う大きさと速度で動けず,e は 1 4 に近い正の値をとる. 一方, 金銀のような自由電子リッチな貴金属では, 自由電子が入射電場を打ち消す向きに速く運動できる (e?0) ため, 光の電場は物質内部で打ち消され, ほとんどが表面で再輻射として反射される. これが, 銀などが良いミラー材料となっている理由である. 一方, 物質中の小さな磁石の向きともいえる磁気モーメントの電場への応答に相当する透磁率 m も考慮せねばならない. しかし磁区は電子のように速くは動けず, 光の周波数では磁場変化に追従できず 1 として扱うのが慣例である. 屈折率は n/ em であり, 誘電体 (e>0) では正の実数となり, 貴金属 (e?0) では虚部を含んだ複素屈折率 Pn+ikQ となる. 虚部は, 光に対する吸収として作用する. さて, 光の周波数領域で透磁率は本当に一定なのか? この疑問に対して金属ナノ構造の電磁応答の理論研究を行っていた英 Sir J. B. Pendry が1999 年に一つのアイデアを提案した 5). ある種の微小な金属アンテナ構造はかなり高い周波数域においても実効的に透磁率を変化させ, それも負の値にできるというものであった. これが, 図 1 精密工学会誌 Vol.78, No.9,

2 図 2 負の屈折率が作り出す Veselago レンズでの 2 重結像と完全結像 : 左は通常の誘電体スラブの場合の屈折状況, 右ではスラブが負屈折率になることによりスラブ内外で 2 回の結像が生じる. 波動的な解析を行うと負屈折率は完全結像となると予想されている.(RH:Right Hand, LH : Left Hand) 図 1 スプリットリング共振器 (SRR) とメタマテリアル : その構造と, 磁気共鳴周波数における透磁率の変化. 共振器サイズを小型化し, キャパシタンスの小さな構造とすることにより共鳴周波数を高くすることができる. 細線状の金属スプリット構造は, 誘電率負となるプラズモン周波数を低くできる, 両周波数の歩み寄りを実現する構造が波長以下の人工原子として振る舞い負屈折率メタマテリアルを生み出す. に示すスプリットリング共振器 (Sprit Ring Resonator : SRR) による光に対する磁気応答の模倣の提案であった. SRR 構造は, その 2 重リング中央を貫く磁場に対してアンテナ的に応答する磁気型の LC 共振器である. 図に示すように, リング部分がインダクタンス (L), 内外リング間とその切断部の間隙がキャパシタンス (C) とみなせ, 1# LC に比例する特定の周波数で鋭い磁気的な共振を示す. その結果この共振を透磁率の変化として周波数応答を計算すると, その実部がマイナス側にオーバーシュートし, ある周波数で負の値までとることが示され, しかもその周波数をかなり高く設計できることがわかった. Pendry はその少し前に, 金属細線構造により誘電率が負となる周波数をこちらは逆に極端に低くできることも示しており 6), 図 1 に示すようにこの両者をうまく設計するとある周波数で誘電率と透磁率を同時に負にできることがわかった. 実は 1968 年に, 当時ソ連邦の V. G. Veselago がこうした状況で屈折率が負となることを予言し, 負屈折媒質 ( 光の位相速度ベクトルの向きが逆向きとなるため左手系媒質とも呼ばれる ) がいかなる新奇な物理現象が生じるか議論していた 7).Pendry がいったいどの時点から Veselago の予想の実現を意識していたのかは良くわからない. 学会で Pendry の話を聞きつけた D. R. Smith が, それならまずはマイクロ波の領域で負の屈折率の実験をしてみようと発想し, その実証をすることになったという流れには, 人やアイデアの接点の偶然という不思議な物語がありそうだ. メタマテリアルによって, 透磁率をいじれるということが驚きであったのだが, その後の研究はその動作周波数をいかに高めて, 光周波数における負屈折率を実現するかの一大競走となった. 負の屈折率により Veselago が予想したのは, 板状媒質による 2 重結像 ( 図 2 右 ) やチェレンコフ光の異常な方向への放出など幾何光学的な現象だったのだが, またもや Pendry が, 負屈折に基づく 2 重結像が, 実は物理的には物体の全ての細かな構造の情報を完全に伝搬する完全結像となることを示したことが一因である. 図 2 の電磁シミュレーションが示すように, 点光源から出た波面は回折限界を超えて 1 点に収斂するのである.SRR 構造を小さくすれば応答を高周波側へシフトさせることができるが,2 重のリング構造では高周波化に限界がある. リングの構造をより小キャパシタンスであるシンプルな構造へ変えれば良いことが理論的解析により予想されていた. そのため光周波数動作を目指した半導体プロセスを駆使した極微細リング共振器の作成が試みられ, 図 1 に示した数百 nm サイズの C 型構造により波長 900 nm において磁気応答が得られた 9). この構造の延長線での可視波長域での実験例もあっという間に報告された. そこでは, リング構造とは異なるよりシンプルな金属ナノ構造が発案された. いずれも図 3に示すような貴金属ナノ構造のペアが構成する微小な LC 回路の磁気応答を利用したもので, 数十 nm オーダのロッドペア 10), ナノピラー 11), 金属膜ワイヤペア 12)13) などが金属中の自由電子の振動 ( プラズモン ) を介して光周波数に追従する磁気応答を示した. 金属の負の誘電率により負の屈折率が近赤外域で実現したことを示す実験結果も示されている. 作成されている構造は, 多くは 2 次元平面構造であり, 負屈折 768 精密工学会誌 Vol.78, No.9, 2012

図 3 などの現象を観測するためには構造を 3 次元に拡張することが必要であり, 多くの 2.5 次元構造を利用した実験が行われている. しかし, まだ負の屈折現象および完全結像については疑う余地のない結果は光領域では示されてはいないようだ. またこの時点でのメタマテリアル構造素材が金属であったため, 吸収による損失の問題が大きな課題であった.

前節の SRR 構造は, その電子回路との等価性より低周波数 (MHz GHz) の電波領域では, トランスミッション回路に置き換え模擬できる. サイズ的にも作成が容易であり, 実効的な左手系回路を低損失で実現できるためミリ波帯での新しいアンテナ回路など, 左手系回路としての応用面の発展が著しい 1).

Engheta らは, 特に金属非金属ナノ粒子などの動作波長に比較し十分小さい構造をナノ回路要素と考え, それらを合成することで光周波数領域で従来にない複雑な回路を構成する概念を提案している 15)16). 詳細は参考文献に譲るが, 彼らの基本的考え方は, 金属の誘電的性質図 4 Engheta による光周波数領域でのナノ粒子の応答と電気回路素子の対応付け.

0) をナノインダクタに対応づけている. 後者においては外部電界に相当するキャパシタンスとの組み合わせにより共鳴的な応答が説明でき, これが局在プラズモン共鳴に相当する. 微粒子の誘電率の虚部がナノレジスタとして作用する.

3 図 3 などの現象を観測するためには構造を 3 次元に拡張することが必要であり, 多くの 2.5 次元構造を利用した実験が行われている. しかし, まだ負の屈折現象および完全結像については疑う余地のない結果は光領域では示されてはいないようだ. またこの時点でのメタマテリアル構造素材が金属であったため, 吸収による損失の問題が大きな課題であった. これに対しては, プラズモニックな応答を示しかつ損失の小さな材料の模索が行われている 14). 3. ひろがるメタマテリアル (d) SRR 共振器を拡張したさまざまな負屈折率メタマテリアル基本構造 : では金ナノロッドペアが, では金ナノピラーペアが入射光に対し微小な LC 回路を構成し, 近赤外可視域で磁気応答を示す.,(d) は金属薄膜 2 層で構成された近赤外メタマテリアル. 前節の SRR 構造は, その電子回路との等価性より低周波数 (MHz GHz) の電波領域では, トランスミッション回路に置き換え模擬できる. サイズ的にも作成が容易であり, 実効的な左手系回路を低損失で実現できるためミリ波帯での新しいアンテナ回路など, 左手系回路としての応用面の発展が著しい 1). メタマテリアルの概念は, 電気回路理論に対しては新しい回路動作の原理視点を与えたものと考えることができ, 逆に電気回路での原理を光周波数領域にもち込むことで新奇な光機能を見いだすという展開も広がっている. そのためには, コンデンサ, コイルや抵抗素子が光周波数領域での物質のどのような性質に対応しているのかを明らかにする必要がある. N. Engheta らは, 特に金属非金属ナノ粒子などの動作波長に比較し十分小さい構造をナノ回路要素と考え, それらを合成することで光周波数領域で従来にない複雑な回路を構成する概念を提案している 15)16). 詳細は参考文献に譲るが, 彼らの基本的考え方は, 金属の誘電的性質図 4 Engheta による光周波数領域でのナノ粒子の応答と電気回路素子の対応付け. コンデンサには正誘電率微粒子が, インダクタには負誘電率 ( 金属 ) 微粒子が対応する. この対応付けにより左手系の伝送路動作は IMI(Insulator- Metal-Insulator) 光導波路によって実現される. が光周波数領域において大きく変化することに基づいており, 図 4, に示すように, 非金属微粒子 (e>0) をナノキャパシタ, 金属微粒子 (e?0) をナノインダクタに対応づけている. 後者においては外部電界に相当するキャパシタンスとの組み合わせにより共鳴的な応答が説明でき, これが局在プラズモン共鳴に相当する. 微粒子の誘電率の虚部がナノレジスタとして作用する. こうした考え方を導入することにより, 低周波数領域における電気回路構成を正負誘電体微粒子の集合体に置き換えられ, 光学的材料の複雑な組み合わせによる新しい機能の見通しもつけやすくなる. 図 4 では, 電気回路における左手系伝送路が上記の置き換えにより, 正負誘電体の薄膜より構成される光導波路に置き換えることができることが容易に理解される. もちろん, 実際の細かい設計パラメータは, 従来よりある光学材料の特性を加味し決定せねばならないが, こうしたパラダイムの導入により今後思わぬ新機能が光ナノ構造により実現され, メタマテリアルの新たな広がりをもたらす可能性がある. 当初のメタマテリアルの概念は, 前述のような物質の光応答の新しい見方へ発展するとともに,e, m 両者についてパラメータとすることができ, しかも空間的に自由な配置をとることにより, いわば光の伝搬空間座標を自由に変換 (transformation) できるという考え方に基づき, 光学素子そのものの設計の自由度を飛躍的に高めることができると期待されている. この方向は,transformation optics などとも呼ばれている. その概念を応用した代表例が, 図 5 精密工学会誌 Vol.78, No.9,

(d) 図 5 ひろがるメタマテリアルの概念 : メタマテリアルによる座標変換光学にもとづくクローキング技術, 誘電率ゼロ材料による波面変換, アンバランスな金属ロッドペア構造による電磁誘起透過デバイスの作成例,(d) 屈曲アンテナ構造による散乱波の位相操作とそのアレイ化による位相変換デバイスの例. に示す, いわゆる透明マントの概念である 17).

Pendry 等の案では, 図に示すようにある球状の空間の周囲にクローキング領域を設け, その内部の誘電率 e と透磁率 m の分布を屈折率分布型レンズのように自由に設計する. そしてクローキング領域の外部の任意の方向から入射した光線を, 内部の遮蔽空間を避けてクローキング領域内を曲がって進み, 完全に入射光線と同じ軌跡に戻るようにする.

例えば, 屈折率がゼロの媒質ができると何が起こるだろうか. 図 5 は光の入射側と出射側で異なる表面形状をもつほとんど誘電率がゼロ (e near zero : ENZ) な物質を光が通過する際の挙動を示している. 少し考えればわかるように,Snell の法則で n/0 だと全ての光は屈折角がゼロつまり法線方向となる.

例えば, 長さの異なる金属ロッドペアや図 5 に示すような, 異なる周波数応答を示す金属ロッドセットを 2 次元的に並べると, 単一のロッドではある周波数を中心にブロードな吸収特性が得られるのに対し, 例えば図の例では左のロッドペアのサイズとそれと右の太い単一ロッドの間隔を適切に設計することにより, 太いロッドの共鳴周波数でそのエネルギが左のロッドペアに移行し輻射されることで,

詳細は省くが, この曲げ角を変化させると入射する光の偏光方向に応じて輻射される光の位相が制御できる. そのため異なる角度のくの字アンテナを分布させて並べると一種の複合位相板を作ることができる. 図の例では, それによって渦巻き状の位相分布 ( ラゲールガウス分布 ) を人工的に作り出すフィルタを実際に作成している.

4 (d) 図 5 ひろがるメタマテリアルの概念 : メタマテリアルによる座標変換光学にもとづくクローキング技術, 誘電率ゼロ材料による波面変換, アンバランスな金属ロッドペア構造による電磁誘起透過デバイスの作成例,(d) 屈曲アンテナ構造による散乱波の位相操作とそのアレイ化による位相変換デバイスの例. に示す, いわゆる透明マントの概念である 17). これはクローキング (Cloaking) とも呼ばれ, 古い世代ではスタートレックなどでこの用語を聞いた方々も多いと思うが, 要はその材料で覆うことでその内側を外部の電磁波に対して完全に隠蔽してしまう外装がメタマテリアルで可能になるというのである.Pendry 等の案では, 図に示すようにある球状の空間の周囲にクローキング領域を設け, その内部の誘電率 e と透磁率 m の分布を屈折率分布型レンズのように自由に設計する. そしてクローキング領域の外部の任意の方向から入射した光線を, 内部の遮蔽空間を避けてクローキング領域内を曲がって進み, 完全に入射光線と同じ軌跡に戻るようにする. しかも外殻表面で完全にインピーダンス Z/ m#e を一致させ無反射状態を作るというものである. この状態では内部の球状空間は電磁波的に完全に外部から不可視となる! ただし, このマントは, ピンポイントの 1 周波数についてのみ動作するため, 実際にこのマントに覆われた物質は極めて奇妙な隠れ方をするだろう. メタマテリアルは, まだまだびっくりするようなアイデアをもたらしてくれる. 例えば, 屈折率がゼロの媒質ができると何が起こるだろうか. 図 5 は光の入射側と出射側で異なる表面形状をもつほとんど誘電率がゼロ (e near zero : ENZ) な物質を光が通過する際の挙動を示している. 少し考えればわかるように,Snell の法則で n/0 だと全ての光は屈折角がゼロつまり法線方向となる. 結果として, どんな波面の光が入射しようと出射面の波面はその表面形状に沿ったものに変換されるのである. また, 先の SRR 構造を異なったアンテナ構造に置き換えて新たな機能を生みだそうという試みも盛んだ. 例えば, 長さの異なる金属ロッドペアや図 5 に示すような, 異なる周波数応答を示す金属ロッドセットを 2 次元的に並べると, 単一のロッドではある周波数を中心にブロードな吸収特性が得られるのに対し, 例えば図の例では左のロッドペアのサイズとそれと右の太い単一ロッドの間隔を適切に設計することにより, 太いロッドの共鳴周波数でそのエネルギが左のロッドペアに移行し輻射されることで, 吸収最大の周波数で却って透明状態になるような機能を模擬できる 19)20). この現象は, 電磁誘導透過 (Electrically Induced Transparency :EIT) と呼ばれる光非線形現象と類似の現象で, 量子光学での応用が期待されているが, それを人工的に設計できる可能性を示している. また, アンテナの形状もさまざまで, 図 5(d) のようなくの字型の提案もある. 詳細は省くが, この曲げ角を変化させると入射する光の偏光方向に応じて輻射される光の位相が制御できる. そのため異なる角度のくの字アンテナを分布させて並べると一種の複合位相板を作ることができる. 図の例では, それによって渦巻き状の位相分布 ( ラゲールガウス分布 ) を人工的に作り出すフィルタを実際に作成している. こういったアンテナ構造も自由に配置し設計することで, これまでできなかった光学素子が作成されるようになるだろう. 4. つくるメタマテリアルさて, これまで見てきたように, いわばメタマテリアルは微小なアンテナ構造をその特性と配置を含めて 3 次元空間内で自由に設計することにより, いろいろな夢を見ている段階であるといえる. 目で見える形でのデモンストレーションは, マイクロ波領域以外ではほとんどなされていない. 筆者も, 目の黒いうちに本当に負屈折媒質スラブで2 重結像を起こすところを見てみたいものであるが, 果たしてどうだろう. 冒頭に述べたように, 実は本当にメタマテリアルを光領域で使うための最大の技術的ハードルは, その作成技術にある. ここまで述べてきたうち, 確かに光周波数での実際の実験が数多く行われている. そして, 今のところ, デバイスの作成のほとんどは, 半導体プロセスによっている. しかもほとんどは 2 次元的な素子に留まっており, 最近ようやく積層技術を併用した 2.5 次元のデバイスが図 6 に示すように実現している 20). 同等の素子を大量に並べるタイプのメタマテリアルなら, 半導体プロセスで良いのだろうが, より複雑かつ厚みをもった素子として実現するためには,3 次元性を生かした光加工技術や, メカニカルな加工法およびそれらを複合した新しい概念の加工生産方式が必要となりそうだ. 半導体プロセス以外のメタマテリアル作成法としては, 3 次元の構造を一度に作成する方法としては, 図精密工学会誌 Vol.78, No.9, 2012

大きな粒子の赤道に沿うように磁性の異なる微小粒子を配列する方法で, 金微粒子をネックレスのように配置しリング共振器を目指すものである 23). また, 下図のように, 最近 DNA 折り紙などで有名となった DNA 鎖の選択的な結合性を利用して金微粒子を結合させることが試みられている 24).

先にも述べたが, 現状ではプラズモニックな応答を利用するため金属の構造の作成が主流であるが, 金属は原理的に吸収の影響を逃れられないため, 透明な導電性材料の可能性も探索され, 低損失のアルミ添加亜鉛 (AZO) などが有望視されている. 今後は, こうした材料面からの研究も加工法を含めていっそう活発化することが期待される.

おわりに Objective lens Relay lens Microlens array x-y Laser beam 駆け足で, メタマテリアルの世界を眺めてきたが, とにかく 2000 年という比較的最近立ち上がった研究分野であるにもかかわらず, マイクロ波,THz, 光と幅広い周波数領域にわたった莫大な研究が進んでおり,

メタマテリアルにちなんでメタメカニズムとかメタ材料といった精密工学での新しい観点を考えてみてはいかがだろうか? 参考文献図 6 さまざまなメタマテリアルの作り方と自己組織化の利用 : 積層技術を半導体プロセスと組み合わせた 2.

に示す 2 光子吸収光造形とマイクロレンズアレイなどを組み合わせた方法があげられる 21).2 光子吸収光造形は, 集光されたパルス光の集光点のみでレジンを硬化できるため 3 次元的なマイクロ造形に適している. 出来た造形物表面に金属をメッキしたり, それを鋳型にして金属を電鋳することもでき, 金らせん構造による偏光素子などが作成されている 22).

Web でたどる左手系マテリアルの世界 (1),(2), 光学,33(2004)138 および 195. 石原照也他 : 特集メタマテリアル左手系を中心として, 光学,bf 36(2007)554 など. 2) J. B. ペンドリー,D. R. スミス : 光学技術に革命を起こすスーパーレンズ, 日経サイエンス,10(2006). 3) D.R. Smith, W.

$Shelby, D.R. Smith and S. Schultz : Experimental Verification of a Negative Index of Refraction, Science, 292 (2001) 77. 5) J.$

5 大きな粒子の赤道に沿うように磁性の異なる微小粒子を配列する方法で, 金微粒子をネックレスのように配置しリング共振器を目指すものである 23). また, 下図のように, 最近 DNA 折り紙などで有名となった DNA 鎖の選択的な結合性を利用して金微粒子を結合させることが試みられている 24).2 4 個のナノ金微粒子を選択的につなげた構造が大量かつ選択的に作成でき, 磁気的な応答が観測されれば面白いメタマテリアル候補となるだろう. 先にも述べたが, 現状ではプラズモニックな応答を利用するため金属の構造の作成が主流であるが, 金属は原理的に吸収の影響を逃れられないため, 透明な導電性材料の可能性も探索され, 低損失のアルミ添加亜鉛 (AZO) などが有望視されている. 今後は, こうした材料面からの研究も加工法を含めていっそう活発化することが期待される. Resin z Cover glass 5. おわりに Objective lens Relay lens Microlens array x-y Laser beam 駆け足で, メタマテリアルの世界を眺めてきたが, とにかく 2000 年という比較的最近立ち上がった研究分野であるにもかかわらず, マイクロ波,THz, 光と幅広い周波数領域にわたった莫大な研究が進んでおり, 現状としてはやや混沌とした状況にあるように感じられる. よくよく考えてみると支える理論的な背景では, 本質的な物理の変化はなくエンジニアリング的な側面が濃い分野であることがわかる. わずかな視点の広がりがあっという間にさまざまなアイデアを生み出したという意味では, 発想の転換次第で工学の分野もまだまだ新しいネタが転がっていることがわかる. メタマテリアルにちなんでメタメカニズムとかメタ材料といった精密工学での新しい観点を考えてみてはいかがだろうか? 参考文献図 6 さまざまなメタマテリアルの作り方と自己組織化の利用 : 積層技術を半導体プロセスと組み合わせた 2.5 次元メタマテリアル作成例, マルチスポット 2 光子吸収光造形法と金らせん構造の作成例, 自己組織的な金微粒子配列法の例. 上 : 磁界中に置かれた磁性流体中の常反磁性微粒子同士の相互作用を利用した金ネックレス配列, 下 :DNA 鎖結合を利用した金微粒子ダイマー, トライマーの作成法. に示す 2 光子吸収光造形とマイクロレンズアレイなどを組み合わせた方法があげられる 21).2 光子吸収光造形は, 集光されたパルス光の集光点のみでレジンを硬化できるため 3 次元的なマイクロ造形に適している. 出来た造形物表面に金属をメッキしたり, それを鋳型にして金属を電鋳することもでき, 金らせん構造による偏光素子などが作成されている 22). また, 金属微粒子などを複数自己組織的につないだり固定する方法もさまざま研究されている. 図 6 は理研で研究されているユニークな方法で, 上図は大きさの異なる反磁性常磁性微粒子を磁界の中に置くことで, 1) 例えば加藤純一 : あなたは右利き? 左利き? Web でたどる左手系マテリアルの世界 (1),(2), 光学,33(2004)138 および 195. 石原照也他 : 特集メタマテリアル左手系を中心として, 光学,bf 36(2007)554 など. 2) J. B. ペンドリー,D. R. スミス : 光学技術に革命を起こすスーパーレンズ, 日経サイエンス,10(2006). 3) D.R. Smith, W.J. Padilla, D.C. Vier, S.C. Nemat-Nasser and S. Schultz :Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity, Phys. Rev. Lett., 84 (2000) ) R.A.Shelby, D.R. Smith and S. Schultz : Experimental Verification of a Negative Index of Refraction, Science, 292 (2001) 77. 5) J.B. Pendry, A.J. Holden, D.J. Robbins and W.J. Stewart, Magnetism from Conductors and Enhanced Non-Linear Phenomena, IEEE Trans. Microwave Theory and Tech., 47 (1999) ) J.B. Pendry, A.J. Holden, W.J. Stewart and I. Youngs : Extremely Low Frequency Plasmons in Metallic Mesostructures, Phys. Rev. Lett., 76 (1996) ) V.G. Veselago : The Elecrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of e and m, Soviet Physics Uspekhi, 10 (1968) ) J.B. Pendry: Negative Refraction Makes a Perfect Lens, Phys. Rev. Lett., 85 (2000) ) S. Linden, C. Enkrich, M. Wegener, J. Zhou, T. Koschny and C.M. Soukoulis:Magnetic Response of Metamaterials at 100 精密工学会誌 Vol.78, No.9,

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Microsoft PowerPoint - meta_tomita.ppt メタマテリアルの光応答量子物性科学講座冨田知志メタマテリアルとは meta-: higher, beyond Oxford ALD Pendry, Contemporary Phys. (004) メタマテリアル (meta-material): 波長 λ に対して十分小さい要素を組み合わせて自然界には無い物性を実現した人工物質 ( 材料 ) 通常の物質 :, は構成原子に起因メタ物質 :