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人工光学材料：メタマテリアル
岡山大学大学院自然科学研究科（工・電気通信）
石川 篤・鶴田 健二
メタマテリアルによる新奇な光学特性
物質中での光の振る舞いは、屈折率で決まり
ます．メタマテリアルを用いると、特異な屈折
金属ナノ構造 率と材料分散を有する光学材料を作り出すこ
とができ、従来にない光機能が実現できます． 原子や分子
n = 1.3
正の屈折
光
負の屈折
光
自然界の物質
n = -1.3
速い光・遅い光
負の屈折率
透明マント
人工ブラックホール
メタマテリアル
光の波長よりも小さな微細構造体では、材料そ
のものよりも、構造由来の特性が全体の光応答
を決めるという性質が現れます．私たちは、微細
構造体をうまくデザインすることで、新奇な光学
特性を示す人工光学材料“メタマテリアル”を作
り出す研究をしています． 真空よりも低い屈折率を示す三次元メタマテリアル
私たちは、トップダウン的な手法とボトムアップ的
な手法を融合させることで、三次元金属ナノ構造
でできたメタマテリアルを高精度かつ大量に作製
することに成功しました．
25 µm
2.5 µm
三次元金属ナノ構造の電子顕微鏡像
メタマテリアルの光学特性を評価した結果、中
赤外領域の光に対して、0.35という真空の屈折
率よりも低い屈折率を示すことを実証しました．
光を完全に吸収してしまうメタ表面
金属は、その高い反射率のために光をほとんど
吸収しません．私たちは、金表面にナノ構造を作
り込むことで、光反射を抑制し、入射光を完全に
吸収してしまう光吸収メタ表面を実現しました．
□26mm
光吸収メタ表面
表面構造の電子顕微鏡像
MgF2
Au
Au
1次モード (1540cm-1)
光吸収の実験結果
光吸収メタ表面は、その表面近傍に光を長
時間捕捉することができ、これを応用するこ
とで超高感度な光センサが実現できます．
私たちは、従来の手法では検出が困難であ
った、極微量（アトモルレベル）の有機分子
を高感度に検出できる、メタ表面増強赤外
分光法を開発しました．
電磁界分布の計算結果
炭素原子一層でできた光制御メタマテリアル
光学特性が電圧制御可能な炭素原子の２次元シ
ートであるグラフェンを用いた、チューナブルメタ
マテリアルを作製し、グラフェン構造やキャリア密
度に応じた特異な光応答の実証に成功しました．
ゲート
電界 (a.u.)
-1
+1
Vg = -­‐V1
□10mm
Vg = 0
ソース
ドレイン ゲート
グラフェンメタマテリアル グラフェン構造の顕微鏡像
Vg = +V1
実験
グラフェン
計算
SiO2
P++-Si
THz応答の実験結果
電磁界分布の計算結果
グラフェンメタマテリアルへの印加電圧を制
御することで、THz波の伝搬方向を広角
（±53º）、高効率（≧60％）、高速（≦0.6ps）
にスキャンできることを実証しました．