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～

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図2：（上）従来技術におけるハニカム格子型光トポロジカル絶縁体形成手法と（下）対応するバンド構造。バンド反転によってCがノンゼロのトポロジカル絶縁体が実現する。

2．技術のポイント
①相変化材料によって光トポロジカル相転移を可能とする構造の考案
　Ge2Sb2Te5（GST）※７はよく知られた相変化材料の一つで、温度や光パルスによって結晶相とアモルファス相という異なる結晶構造の間で相転移が起き、屈折率が大きく変化することから、書き換え可能なDVDなどで実用化されています。相転移を起こしたあとその状態は無電源で保持されることから、近年GSTの相転移を用いた光メモリや光回路の研究が活発化しています。本研究では、このGSTをシリコンフォトニック結晶の上に装荷することで、GSTの相転移によりフォトニック結晶に大きな屈折率変化を与えて、光トポロジカル相転移を引き起こすことを狙いました。つまり、物質の相転移によって、光の状態の相転移を引き起こすことを狙うのです。ただし、GSTをフォトニック結晶の上に一様に成膜しただけでは、チャーン数を変化させることはできません。そこでNTTと東工大の研究グループでは、詳細に構造中の光状態を分析することにより、特殊な配置(図3左)でパターニングしたGSTをシリコンフォトニック結晶の上に装荷することで、光トポロジカル相転移を引き起こせることを発見しました。この特殊な構造では、GSTが結晶相からアモルファス相に相転移すると、フォトニック結晶のバンド構造が反転し、光の状態がノーマル相からトポロジカル絶縁相へ相転移します(図3右)。このような原理はこれまで知られていませんでした。


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図3：（左）提案するハイブリッドフォトニック結晶の構造図。（右）左の構造について、GSTが結晶相の場合とアモルファス相の場合について理論計算したバンド構造。結晶相の場合にはチャーン数が０のノーマル相であるが、GSTがアモルファス相になるとチャーン数が１のトポロジカル相になる。