物質の相転移を用いて、光のトポロジカル相転移を世界で初めて実現 ～オンデマンドに再構成可能な新機能光集積回路につながる新しい光制御の開拓～

発表のポイント：

物質の相転移と光のトポロジカル相転移という二つの異なる現象を結びつける初めての成果
相変化材料と半導体材料を組み合わせ、各材料が異なるナノスケールのパターンを持つ独自の人工ハイブリッドナノ周期構造を提案、実現することにより本成果を達成
光のトポロジカルな性質を利用した再構成可能な新機能光集積回路の実現可能性を指し示すものであり、将来的に光を用いた高度な情報処理基盤の実現につながる成果

　日本電信電話株式会社（本社：東京都千代田区、代表取締役社長：島田　明、以下「NTT」）と国立大学法人東京工業大学（学長：益　一哉）理学院 物理学系の納富雅也教授らの共同研究チームは、相変化物質と半導体の特殊なハイブリッドナノ構造の実現により、物質の相転移によって世界で初めて光のトポロジカル相転移を引き起こすことに成功しました(図1)。
　1996年にノーベル物理学賞が授与された固体のトポロジカル物性の原理が、近年ナノ構造中の光に適用され新しい光の自由度として活発な研究が進んでいますが、これまで光のトポロジカルな性質は構造に固定され、作製後には変更することができませんでした。本成果では、物質の相転移を利用して、構造作製後にオンデマンドに光のトポロジカル相を切り替えられることを実証しました。この成果は、物質の相転移と光の相転移を結び付けた新しい学術分野の創造につながるとともに、光のトポロジカルな性質を利用した再構成可能な新機能光集積回路の実現により、光を用いた高度な情報処理基盤の開拓につながるものです。
　本研究成果は、2024年8月23日（米国東部夏時間）に米国科学誌「Science Advances」のオンライン版に掲載されました。


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図1： 本発表の概要、フォトニック結晶上に配置した物質相転移を起こす物質により、光トポロジカル相転移を引き起こすことに成功。Cはチャーン数。

1．背景
　トポロジーとはもともと数学の概念で、例えば物体の穴の数のような、連続変形では値が変わらない離散量（トポロジカル不変量※１）によって決まる性質として議論されてきましたが、近年この概念が物理の世界に導入され、2016年のノーベル物理学賞は固体の電子状態の中にトポロジカルな性質が隠れていることを発見した三人の科学者に与えられました。彼らの研究により、固体中の電子がチャーン数※２(C)と呼ばれるトポロジカル不変量を持ち、これにより決まる様々な性質が発現することがわかり、その一つとしてトポロジカル絶縁体※３と呼ばれる特殊な状態が発見され活発に研究されています。最近になり、同様なトポロジカルな性質が人工的な誘電体構造であるフォトニック結晶※４の中に光の性質として現れることが判明し、研究が活発化しています。人工誘電体構造がノンゼロのチャーン数を持つ場合に光のトポロジカル絶縁体※５となり、この状態では内部に光が通りませんが、チャーン数が異なる界面に光の導波路が形成されます。この導波路は、光の伝播方向が一方向に固定されたり、後方散乱損失が抑制されるといった興味深い特長があり、将来の光集積回路への応用が期待されています。
　一般に固体から液体、気体のように物質の性質が大きく変わる現象を相転移と呼びますが、もしも光のトポロジカル絶縁状態とノーマル状態を切り替える相転移が実現すれば、この界面を自由に生成することができ、任意の位置にトポロジカルな性質を持った光の配線をオンデマンドで生成することが可能となります。しかし、これまでの技術では光のトポロジカルな性質は構造で決まっており、構造を作製した後には変更ができませんでした。代表例として、ハニカム格子型フォトニック結晶を用いて光トポロジカル絶縁体を形成する方法を示します(図2)。この場合、中央のハニカム格子に対して、６個の穴が内側にずれた構造ではノーマルな光絶縁体（ノーマル相）になり、外側にずれた構造ではチャーン数が１の光トポロジカル絶縁体（トポロジカル相）になることが知られていますが、構造が決まってしまうとチャーン数は不変です。ここでバンドの上下が入れ替わっていますが、チャーン数を変化させトポロジカル相転移を実現するためには、バンド反転※６が必要であることがわかっています。これまで様々な手法を使って、トポロジカルな性質を制御しようとする研究は多く行われてきましたが、バンド反転が難しいため、チャーン数を変化させてトポロジカル状態をスイッチする、即ち光トポロジカル相転移を実現した例はありませんでした。