日本電信電話(NTT)と岡山大学は7月16日、トポロジーの原理を利用したギガヘルツ超音波回路を実現したと共同で発表した。

同成果は、NTT 先端技術総合研究所と岡山大の共同研究チームによるもの。詳細は、7月19日まで富山市で開催中のメタマテリアルやフォトニック結晶などに関する国際会議「14th International Conference of Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics(META2024)」にて発表された。

  • 既存の超音波フィルタとトポロジカル超音波フィルタ回路の模式図

    既存の超音波フィルタ(上)とトポロジカル超音波フィルタ回路(下)の模式図。これまでは1デバイスにつき単一のフィルタ機能を持つだけだった。一方で、トポロジカル超音波フィルタ回路では、微細な回路構造を用いて多数のフィルタを微小基板上に集積できるため、1デバイスにつき複数のフィルタ機能を実現できる(出所:岡山大プレスリリースPDF)

無数の電波が飛び交う中で混信を避けるため、スマートフォンなどの無線通信端末は、所望の信号のみを精密に抽出して受信する必要があり、そのために重要な役割を果たすのが超音波フィルタだ。超音波は、物質がキロヘルツ(kHz)からギガヘルツ(GHz)の周波数で振動する波を指す。これは、通常の電波と比較してずっと細かな波によって構成されており、さらにはエネルギーの素子外への漏れが極めて小さいという優れた性質を持つ。そのため、電子部品から作るフィルタよりも圧倒的に小さく省電力なフィルタを実現できるという。

ハイエンドのスマートフォンでは、その聴音亜フィルタを100個近く搭載しているとされ、それによって異なる帯域の信号を効率的に送受信できるようになるとする。近未来のより高度に発展したIoT社会では、ますます多くのフィルタが必要となり、さらなる小型化が重要になる。そのためには、電気の配線のように、細い経路(導波路)に振動を閉じ込めて所望の方向に導くことができる超音波回路が必要だ。

しかし、超音波は曲げることが難しく、急な方向の変化は直ぐに後方反射を引き起こすという難題を抱えていた。それゆえ、微細な超音波回路を実現することはこれまで困難だったという。そこで研究チームは今回、数学の理論であるトポロジーを新たに活用し、ギガヘルツ超音波の後方への反射を抑えて伝搬できる「トポロジカル超音波回路」の実現を目指すことにしたとする。

  • 作製された素子の電子顕微鏡画像と模式図

    (a)作製された素子の電子顕微鏡画像と模式図。(b)超音波導波路の模式図。異なる擬スピンの回転方向(すなわち異なるトポロジー)を持つ2つの領域に挟まれた境界(エッジ)において、反射なく安定した超音波の伝搬が生じる。内部の孔が、それぞれ右回り(黄色)ならびに左回り(ピンク色)に5°だけ傾いている(出所:岡山大プレスリリースPDF)

今回の回路を伝わる超音波は、周囲の周期孔の形状によって作られるトポロジカル秩序で守られ、反射がなく安定した伝搬を示す。そのため、導波路の形状に関係なく、超音波は反射せずに滑らかに伝わるという。導波路構造は、左回りまたは右回りに5°だけ傾けた周期孔からなる2種類のトポロジカル構造を持つ。この構造のエッジ(接合面)に外部から超音波を加えると、互いに反対方向に回転する「バレー擬スピン」が発生し、エッジに沿って一方向に進む超音波伝搬現象「バレー擬スピン依存伝導」が生じる。同現象はトポロジカル秩序によって保護された頑強で安定した進行波となるため、急な曲がり角があっても、通常の超音波のような後方への反射は起こらず、エッジの形状に沿って滑らかに伝わるという。

  • 従来の超音波回路とトポロジカル超音波回路をギガヘルツ超音波が伝搬する様子

    従来の超音波回路(a)とトポロジカル超音波回路(b)をギガヘルツ超音波が伝搬する様子(計算)。従来の回路は、周期孔の無い部分が導波路になっており、途中の120°折れ曲がった角で超音波は強い反射を受ける。一方で、トポロジカル回路では、反射を受けることなく滑らかに出口まで伝わる。両回路の周期穴間隔と入力した超音波の周波数は同程度であり、それぞれ4μmと0.5GHz。(c)アルファベットの"Z"のような形状をしたトポロジカル回路を伝わる超音波伝搬の測定結果。黄色の破線はエッジ部が示されている(出所:岡山大プレスリリースPDF)

この特性を活用することで、従来の技術では難しかった折れ曲がった小型導波路構造における反射の問題を解消し、超音波デバイスの小型化や複合化が可能になる。そして、従来技術を使った場合よりも100分の1以下に省スペース化したリング・導波路結合構造を作製し、ギガヘルツ超音波フィルタの基本動作の実証に成功したとのこと。

  • トポロジカルリング・導波路複合系における導波路出力部での周波数応答

    (a)トポロジカルリング・導波路複合系における導波路出力部での周波数応答。0.495GHz付近で出力が大きく低下するフィルタリング効果が起きている(赤矢印)。(b)超音波フィルタの原理が示された模式図。反射なく超音波がリング内を周回することで、リングと導波路の波が干渉し、導波路を進む超音波が抑制される。(c)周波数0.495GHzでの超音波の空間伝搬の計測結果。超音波のフィルタリングにより、導波路における超音波の出力が大きく低下している(出所:岡山大プレスリリースPDF)

なお今回の研究でNTTは、ガリウムヒ素などの化合物半導体に微細加工を施し、フォノニック結晶と呼ばれる人工音響構造の作製を担当。そして、その内部を超音波がどのように流れるのかを、照射したレーザの反射光の変化を計測することで調査したという。合わせて、有限要素法を用いてシミュレーションすることにより、その伝搬特性の数値的な評価も担当したとする。

一方の岡山大は、トポロジーを用いた超音波制御において、波の伝搬特性を、人工音響構造(フォノニック結晶)を用いて設計することを担当。同大学では、さまざまなスケールのフォノニック結晶の設計ノウハウを蓄積しており、数ヘルツ～数テラヘルツの広範囲のバンド分散とトポロジカル秩序の探索・設計を行ってきたことが今回の研究に活かされたとしている。

なお研究チームは今後、磁性体を導入し、外部磁場で超音波を動的に制御できる技術の確立を目指すとしている。