誘電体メタサーフェスの原理と最近の進展

大阪大学　高原淳一 氏

メタサーフェスはメタ原子とよばれる金属からできた人工的な光共振器（光アンテナ）を平面基板上に２次元的に配列させたものです。メタサーフェスの動作原理はメタマテリアルとは大きく異なります。メタマテリアルは単一のメタ原子の構造を制御することで有効屈折率をデザインします。これに対しメタサーフェスは周期配列したメタ原子のサイズを変えて，散乱の振幅と位相を制御することで波面を制御します。
講演ではメタマテリアルの発展を振り返りながら，その違いを説明します。次に，金属を用いない誘電体のみからなる誘電体メタサーフェスの原理と最新の研究成果についてわかりやすく紹介します。ここでは，シリコンメタサーフェスを例にとり，メタ原子のミー共振を利用した波面制御について述べます。ホイヘンス・メタサーフェス，縮退臨界結合などの原理を活用することで，シリコンの固有損失の極めて小さな近赤外域においても，完全透過，完全反射，完全吸収を実現できます。次に，構造色や光変調への応用について紹介します。最後に２次元ナノ材料とのハイブリッド化などの将来展望について述べます。

誘電体メタサーフェス・メタレンズの新展開：偏光制御から集積化光デバイスまで

東京農工大学　岩見健太郎 氏

誘電体メタサーフェスは，高い透過率・回折効率を持ち，多様な波面制御を実現できることから期待されている。中でも，メタサーフェスをレンズに応用した“メタレンズ”は，斜入射特性が良好，偏光制御が可能などの従来レンズにない特性を実現できることなどから注目されており，イメージング・測距・構造化照明等に利用されている。
本講演では，メタレンズ・メタサーフェスの最新の研究動向と，ホログラフィ・微小集積化光学素子等を含めた講演者らの最新の研究成果について報告する。

休憩

メタマテリアル熱電変換　〜駆動原理および環境発電素子としての展開〜

東京農工大学　久保若奈 氏

本講演は，メタマテリアル熱電変換について解説する。熱エネルギーを電気に変換する熱電変換デバイスは，環境発電素子としての展開が期待される。一方，温水中や道路・建物表層など，温度分布が一様な環境 (均一な熱輻射環境)では，熱電変換は駆動しない。そのような環境では，熱電素子両端間の温度勾配が消失するためである。つまり現時点において，既存の熱電変換素子が利用できる場所は制限されており，このことは環境発電素子への展開における課題といえる。
それに対し当グループが発明したメタマテリアル熱電変換は，既存の熱電変換素子が発電しない環境においても熱電発電を実現する技術である。メタマテリアルが周囲環境から熱エネルギーを回収・濃縮し，熱電変換素子上に温度勾配を誘起することから，均一な熱輻射環境においても熱電発電を駆動することができる。
講演では，Internet of Things (IoT)機器に給電する環境発電素子の開発の重要性，室内や建物表層など，身近な環境における既存の熱電変換デバイスの発電特性，メタマテリアルによる熱エネルギーの回収機構，メタマテリアル熱電発電の発電特性，メタマテリアル熱電変換によって駆動が見込めるIoT機器類，メタマテリアル環境発電素子の応用，展望，課題について解説する。

誘電体メタサーフェスを用いた光通信デバイス

東京大学　種村拓夫 氏

メタサーフェスとは，光の波長よりも小さな微細構造をシリコンやガラス基板上に形成したものであり，薄くて平坦な一枚の部品であるにも関わらず，入射した光を集光したり，所望の方向に曲げたり，偏光成分毎に分離することが可能になります。なかでも，誘電体の微細構造からなる，いわゆる「誘電体メタサーフェス」は，原理的に光の吸収がなく，低損失な光学素子への応用が期待されています。これまでは，主にイメージング用途に向けて，可視光波長帯において動作するメタレンズの実用化が活発に進められていますが，動作波長を近赤外に移すことで，次世代光通信用の様々な高機能光デバイスが実現できます。
本講演では，このような誘電体メタサーフェスを用いた光通信用デバイスについて，最近の研究成果を紹介します。メタサーフェスの設計を工夫することで，単純なレンズだけでなく，偏波状態や光の複素振幅も検出できるコヒーレント受信器，さらには，複数の空間光モードを分離するような素子も実現できます。これらの基本的な原理と設計手法，素子の開発状況を紹介します。