マテリアル インテグレーション 2004年10月号
特集　フォトニックフラクタル

巻頭言
大阪大学　接合科学研究所附属スマートプロセス研究センター　宮本　欽生
フォトニックフラクタルは,電磁波を内部に強く局在させる誘電体のフラクタル構造を,我々の共同研究チームが昨年3月に見出した際につけた名前である.電磁波や光を局在させる材料としてはフォトニッククリスタルがよく知られており,1990年代から研究開発が活発に行われている.フォトニックフラクタルも,我々がフォトニッククリスタル研究を行ってきた過程で生まれたものである.
フォトニッククリスタルとフラクタルの構造上の違いは,前者が周期構造であるのに対し,後者は自己相似構造であることにある.また,機能上の違いは,前者が誘電率周期に対応する波長の電磁波をブラッグ回折によって完全反射しその結果透過させないのに対し,後者は誘電率の3次元的な自己相似パターンに対応する入射電磁波を反射も透過もさせずに,一種の黒体のように働くところにある.フォトニッククリスタルによる電磁波や光の局在機構は理論構築もなされよく理解されているが,フォトニックフラクタルでの局在機構はまだよくわかっていない.むしろ,次々と出てくる新しい実験結果に対し,それらを整理し説明する理論形成が追いつかない状態にある.
電磁波や光を,反射も透過もせずに局在させることにより,無反射吸収材,高効率アンテナや共振器,高周波熱処理や治療等々,情報通信,エネルギー,医療等への広範な応用が期待でき,将来的には電磁波や光エネルギーの蓄積も考えられることから,世間の注目を浴びている.我々も,このような応用を早期に実現していくため,今年の6月から企業を対象としたコンソーシアム「フォトニックフラクタル研究会」を設立し,実用化への検討を始めている.
フォトニックフラクタルに関する共同研究は,光物性,量子光学,材料科学,フラクタル科学等の専門家5名が中心になって行っている.本特集は,これら共同研究者がそれぞれの専門分野の立場から,フォトニックフラクタルに関して執筆した最初の特集記事である.我々は,新しい科学技術分野を構築する意気込みでいるが,何しろ歴史的にも世界的にも今までに知られていない材料である.互いに矛盾する記述や誤り,あるいは勢い余って言が過ぎている箇所なきにしもあらずである.読者の批判を乞いつつ,フォトニックフラクタルに閉じ込められている夢を実現していきたいと願っている.

フォトニッククリスタルとフォトニックフラクタル
■著者
信州大学理学部物理科学科　武田　三男

■要約
フォトニッククリスタルとフォトニックフラクタルの研究について紹介し,両者の本質的な違いについて考察する.フォトニックバンドの基本概念は,1979年
に千葉大学の大高一雄教授が提唱したのが最初である.注目を浴びたのは,その後8年ほどした1987年にE. Yablonovitchが擬ダイヤモンド格子を実際に作製してマイクロ波領域で始めてフォトニックバンドギャップを見出し,自然放射の制御が可能であること示してからである.この記念碑的人工結晶は彼の名をとって“ヤブロノバイト”と呼ばれている.その同じ年にS. Johnが結晶格子の周期性を乱すことにより光が局在することを理論的に予測した.これらの研究報告がきっかけとなり,金属や半導体中の電子の運動との類似性から研究者の強い興味を引き付けた.フォトニック結晶の研究は,電磁波を人工的な周期的空間構造体で制御しようとするもので,材料物質中の電子系,格子振動やスピンといったミクロな物性因子による制御が主だったこれまでの研究とは際立った原理的相違がある.また,応用面からも無閾値レーザーや非線形光学効果の増強などが期待されるために企業の研究者も取り込んで研究が盛んになっている.日本では,北大電子科学研究所の井上久遠教授が中心となり,前述の大高や京都大学,横浜国立大学,理化学研究所そして信州大学らの研究グループと科研費特定領域研究を立ち上げた.現在は,企業の研究者も多数参加し,日本はこの研究分野において世界を確実にリードしている.ここでは,フォトニッククリスタルとフラクタルの相違点を明確にしながらそれらの最近の研究を紹介する.


フラクタルの世界
■著者
信州大学　理学部　数理・自然情報科学科　本田　勝也

■要約
フラクタルという呼び名はマンデルブロによる造語で,ラテン語のfractusに基づいており,英語のfraction(部分,断片,破片…)やfracture(破壊,破砕,割れ…)はその派生語といわれています.私たちの身の回りで見られて,最もなじみなフラクタルの典型は「カリフラワー」でしょう.カリフラワーの一部の
房を取り出しても,全体のカリフラワーと大きさを除いて区別がつきません.このように,全体と相似形な部分で構成されている図形を「自己相似性を示している」と言います.ただし,盆栽やミニチュアのように縮小を一段階だけ行なったものは「自己相似性」ではありません.様々なスケールで相似になっていることが必要です.また,厳密に相似形になっているとは限りません.ほぼ相似形になっている場合を「統計的に自己相似性が成立している」といいます.フラクタルの例として,海岸線,月表面でのクレーター,腎臓の血管網,ヒマラヤ山脈の雪模様(等高線),高分子系のゾル,銀河系などがあげられます.


フォトニックフラクタルによる電磁波の局在
■著者
大阪大学　接合科学研究所附属スマートプロセス研究センター　桐原　聡秀　ほか

■要約
フラクタルは海岸線や入道雲の複雑な隆起など,自然界に多く見られる複雑構造である.1975年に米国の数学者Mandelbrotにより提唱された幾何学概念であり,コッホ曲線のごとく一部分が全体の縮図となる自己相似性を有する.画像解析や材料特性の予測をはじめ,流体の運動や経済の動向など,主に計算機シミュレーションにおいて,複雑系の取り扱いに威力を発揮してきた.ところが近年になって,現実に形を持つフラクタル構造が,振動に対して特異な共振を示し,固有モードを形成するとの予想が理論系の研究者の間で話題に上るようになった.我々はこのフラクトンと呼ばれる固有モードを発見するべく,誘電体でフラクタル構造を作製し,電磁波挙動を解析しようと考えたのである.その結果は驚くべきものであり,電磁波のエネルギーをそのまま内部に局在できるという画期的な特性を発見するに至った.我々はこの新しい機能材料をフォトニックフラクタルと命名し,既にいくつかの学術論文や講演などにおいて,得られた知見を公表している.本稿ではコンピューター技術を積極的に活用したフォトニックフラクタルの開発手法をはじめ,研究により得られた最新の学術的知見についても述べる.さらに応用を視野に入れた電磁波制御デバイスの試作例についても紹介する.


3次元フォトニックフラクタルの光波解析に向けて
■著者
物質・材料研究機構　ナノマテリアル研究所　迫田　和彰

■要約
3次元フォトニックフラクタルの光波解析は緒についたばかりであるが,これまでに積み重ねられてきたフォトニック結晶の理論解析の手法や概念が役立ちそうである.本稿では時間領域差分法(FDTD法)による局在電磁モードの解析,対称性による制約から外場と結合しないモード(非結合モード),および,それに伴う大きな共振のQ値について紹介する.


フォトニックフラクタルの応用に向けて
■著者
大阪大学　接合科学研究所附属スマートプロセス研究センター　宮本　欽生　ほか

■要約
フォトニックフラクタルは,電磁波を閉じ込める立体的なフラクタル構造体を,我々,大阪大学,信州大学,物質・材料研究機構の共同研究チームが昨年3月に発見した際につけた名前である.電磁波や光を閉じ込める物体としては,既にフォトニック結晶が知られており,基礎研究と相俟って,光素子やミリ波素子への応用に向けた研究が,1990年代から活発に進められている.我々もミリ波やテラヘルツ素子等への応用を目指したフォトニック結晶研究を過去6年間行ってきたが,その過程で,誘電体の格子構造体でなく,立体的なフラクタル構造体にすることでも電磁波を閉じ込める新たな現象が出てきたのである.電磁波の閉じ込めを観測したメンジャースポンジと呼ばれている誘電体のフラクタルは,1辺が数ミリから数センチメータの穴あき立方構造体で,閉じ込めた電磁波も数ギガ〜数百ギガヘルツのマイクロ波からテラヘルツ波帯であるが,構造をナノメータースケールにすれば,光を閉じ込めることも理論的に可能である.入射した電磁波を反射も透過もせず,構造内に閉じ込めてしまう物体はこれまで知られておらず,学術的にも,応用的にも多くの可能性を秘めていると云えよう.結晶は単位格子が周期的に配列した構造体を云うが,フラクタルには周期性はなく,拡大しても縮小しても似たパターンが現れるという自己相似性を有する.この構造の違いが,電磁波の閉じ込め方に違いを与えているようである.フォトニックフラクタルの発見から1年が経過したが,次々と新しい実験事実がもたらされている.本稿では,フォトニックフラクタルについて,これまでに得られた結果を概観し,どのような応用が期待できるか展望したい.


連載
タイ便り(その24)　私のバンコク生活
■著者
Chulalongkorn Univ. Faculty of Science 教授　和田　重孝

■要約
バンコクでの私の生活は,このところ,大学とアパートを往復する毎日である.結構日本に帰っていて,年間100日くらいは日本である.しかし,タイからサラリーを貰っているので,タイにいる間は土・日も午前中は仕事をしている.というわけで,タイの観光に関しては話題が無い.それで,今日は日本とはちょっと違う私の日常生活の話題やちょっとしたバンコク情報を紹介します.


連載
近代日本のセラミックス産業と科学・技術の発展に尽力した偉人,怪人,異能,努力の人々(11)近藤清治博士-大正,昭和初期の偉大なセラミスト,多数の優秀な門下生を輩出した教育者,研究者
■著者
宗宮　重行