【本学研究者情報】

〇金属材料研究所　教授　小野瀬佳文
　　　　　　　　准教授　新居陽一
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• 数学のトポロジーの原理を応用した超低エネルギー損失の新型音響導波路を実現するため、物質表面にナノスケール（ナノは10億分の1）の周期構造を作製することに成功しました。
• 高周波数のギガヘルツ帯域において導波路として機能することを確認しました。
• 既存の表面弾性波デバイスの大幅な高機能化や量子技術への応用が期待されます。

【概要】

音波は、空気や物質の振動が波として伝わる現象です。中でも物質の表面を伝わっていく音波は「表面弾性波」と呼ばれ、これを用いた電子素子に表面弾性波デバイス^(注１)があります。表面弾性波デバイスは特定周波数の電気信号のみをよく通すため携帯電話の周波数フィルタとして用いられたり、また音波の伝わり方が表面状態に敏感である性質を使ってセンサなどに利用されたりしています。しかし表面弾性波デバイスのエネルギー損失によって、大きな電力消費を伴うことがしばしば問題となっていました。

東北大学金属材料研究所の新居陽一准教授と小野瀬佳文教授は、数学分野のトポロジー^（注２）の概念をもとにして物質の表面に特殊な音波の導波路を実現しました。この導波路は、表面弾性波デバイス上に組み込むことができ、またトポロジーの活用により原理的には極限まで散逸（熱などへの変化によるエネルギー損失）が抑制される性質を持ちます。したがって本成果で得られた導波路を利用すれば、超低消費電力の表面弾性波デバイスの実現につながると期待できます。これは例えば、携帯電話のバッテリー持続時間を大幅に延ばせるなど、電子機器の高機能化に貢献できると考えられます。また表面弾性波は量子コンピューティング^（注３）の要素技術としても着目されていますが、今回の導波路の持つ性質も大いに役立つことが期待できます。本研究は米国物理学会の応用物理学専門誌Physical Review Applied誌のEditor's suggestionに選定され、2023年1月3日10:00（米国東部時間）に同誌に掲載されました。

【用語解説】

注1 表面弾性波デバイス
圧電体の表面における電気信号と力学信号の変換を利用した素子。圧電体表面に櫛型電極と呼ばれる周期的な電極を作成し、ここに交流電圧を加えると圧電効果を通じて音波が発生する。このとき電極の間隔を調整しておくことで、特定の周波数の電気信号だけが効率的に力学信号（音波）に変換される。これを利用することで不要な周波数の電気信号を除去するフィルタとして作用する。

注2 トポロジー
位相幾何学と呼ばれる、形を取り扱う数学の一分野。曲げたり伸ばしたりする連続的な変形で不変に保たれる量に着目して、形を分類する。最近の物性物理学分野では電子、光、音波の波動関数が持つ形をトポロジー的観点から理解することが盛んに行われている。

注3 量子コンピューティング
量子力学の原理を利用したコンピュータ。従来の古典的なコンピュータでは解くのには膨大な時間がかかる計算を大幅に短縮でき得ると考えられている。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

◆研究内容に関して
東北大学金属材料研究所
量子機能物性学研究部門
准教授　新居　陽一
TEL：022-215-2044
Email：yoichi.nii.c1*tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）

◆報道に関して
東北大学金属材料研究所　情報企画室広報班
TEL：022-215-2144　FAX:022-215-2482
Email：press.imr*grp.tohoku.ac.jp（*を@に置き換えてください）