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IBS、光の速度を調節できるグラフェン結合メタ物質を開発

次世代の超高速大容量通信などへの応用に期待


大徳所在のIBS(基礎科学研究院、キム・ドゥチョル院長)はナノ構造物理研究団のキム・トゥントゥン研究教授チームとKAIST機械工学科のミン・ボムギ教授研究チームが共同でグラフェンとメタ物質を接合して光の速度を遅くしたり再び速くしたりできる素子を開発したと5月15日に発表した。

この世で最も速い速度をもつ物質は光であり、情報を伝達するのに光より有用な物質はない。だが現在光を情報として処理するには光を電気信号に変換する過程が必要となる。この際に信号を処理する電子素子の限界と発熱問題のせいで情報処理速度が遅くなりボトルネック現象が発生する。

光の速度を遅らせるのは車の運転中にブレーキをかけるのと似ている。光が電気信号に変わる際に電子素子の信号処理速度の限界のせいで光の速度が遅くならないと円滑な情報処理は難しい。自動車(光)が高速道路(光繊維)で走っていた速度で都心(光→電気)に進入し、信号(素子、回路など)を通じて分配統制せねばならないが速度が速いと制御が困難になる。ブレーキを踏んで速度を落とすように光も速度を遅くすると処理が容易になる。

研究チームは物理的現象である電磁気誘導透過現象を中心に今回の研究を設計した。電磁気誘導透過とは強い光(A)を物質に当てて物質の屈折率の状態が変わる際に他の光である制御光(B)を同じ方向で当てるとその光が物質に吸収されてしまうので透過できなかった光(A)が物質を通過する現象。この時に物質の屈折変化率が大きくなって光の速度が遅くなる。だが一般的に電磁気誘導透過現象は極低温環境と強い制御光と複雑な実験環境が必要となる。

研究チームは電磁気誘導透過現象を実現するためにメタ物質を設計して素子を製造した。人工原子から成るメタ物質は自然界に存在しない特性をもつ。研究チームは金で作ったリング形構造と棒状構造の人工原子を高分子形態の基板に二つの層に分けてメタ物質を設計した。

二つの構造間の位置を調節して物質の屈折率を急激に変化させると光の速度が遅くなった。こうして作られた素子は数十マイクロメートルの非常に薄い厚さにもかかわらず常温で作動し、強い制御光がなくても電磁気誘導透過と類似した現象を示した。

研究チームは遅くなった光のスピードを再び速くする方法も開発した。グラフェンをメタ物質とイオンジェルの間に挿入して電圧をかけると物質の屈折率が変化する。グラフェンにかける電圧の強さが大きくなるほどメタ物質の特性が弱まり、急激に変わった物質の屈折率が緩慢になって光の速度が再び速くなる。研究チームの開発した素子はメタ物質で光の速度を遅くしたり速くしたりできる。一度製造すれば定められた速度だけ光を遅らせることのできた従来のメタ物質と比べてはるかに能動的かつ効果的と言える。

研究に当ったキム・トゥントゥン研究教授は「開発した素子にはテラヘルツ周波数をもつ光(テラ波)を利用するように設計した。テラ波は次世代の超高速大容量通信だけでなくイメージングや分光技術にも応用できる潜在力をもっている」と話している。

研究成果は米国化学会が発行する光学分野の学術誌『ACS Photonics』に5月16日付で掲載された。また3月から今月までに最も多く読まれた論文となっている。






[2018-05-17]

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