野村研究室

リサーチトピックス

ナノ構造を巧みに用いると大きなスケールでは起こりえないフォノン・熱輸送現象が起こります。そして、未知の物理が数多く残されており、我々は半導体や二次元材料における物理探求と次世代熱流制御技術開発を進めています。また、単一種類の量子では成しえない、複数量子のハイブリッド状態ならではの新しい基礎物理を研究しており、例えばダイヤモンドスピンオプトメカニクス系などの量子中継を可能にするデバイスについて研究を行っています。一方、応用研究では、カーボンニュートラルに貢献すべく環境熱発電や省エネルギーデバイス開発といった応用と、その技術開発を下支えするフォノン・熱制御の物理に関する基礎的理解と新しい物理の探求を行っています。また、独自の三次元熱伝導測定およびイメージング技術により、需要が高まるAlN, SiC, h-BNなどの材料、デバイス放熱測定・解析を行っており、先端半導体やパワー半導体に欠かせない熱マネジメントを支援しています。具体的には、下記のような、熱電環境発電とモニタリングシステム開発、半導体材料・デバイス熱マネジメント技術、フォノンエンジニアリング、光熱融合プロジェクト、フォノンを用いた量子メディア変換に関する研究を進めています。これらは、JSTの戦略的創造研究推進事業、未来開拓創造事業、ムーンショット型研究開発事業などの複数の大型プロジェクトにより推進されています。

Keywords: グリーントランスフォーメーション, フォノンエンジニアリング, 熱フォノニクス, フォノニック結晶, 熱電変換, 環境発電, エネルギーハーベスティング, ハイブリッド量子科学，量子コンピュータ，トポロジカルフォノニクス

熱電環境発電によるモニタリングシステム開発

エネルギーハーベスティング

※ 最近の解説記事

社会のエネルギー利用効率を高める重要な発電技術として、未利用熱を有効利用する熱電環境発電が注目されています。未利用熱はいたるところにあるため、熱電環境発電デバイスを搭載したセンサーノードを実現することで、社会に膨大な数のエネルギー自立型センサーを設置でき、スマート社会化に必須な物理空間とサイバー空間をつなぐことができます。

本研究室では、低環境負荷なシリコン系材料にナノ加工を形成することで熱電変換能を飛躍的に高める研究を進めており、熱フォノンの平均自由行程スペクトルを考慮した材料設計を行うことで高効率な熱伝導制御を実現しています。現在、ドイツのフライブルク大学や多数の企業と共同研究を行っており、マイクロマシン技術を用いてインチスケールのナノ加工シリコン熱電変換デバイスを開発しています。この国際共同研究は、新しいデバイス応用として日経産業新聞などで報道されました。

Fig. 1. シリコン熱電発電デバイスによるエネルギーハーベスティング

参考文献

  1. R. Yanagisawa, N. Tsujii, T. Mori, P. Ruther, O. Paul, and M. Nomura, “Nanostructured planar-type uni-leg Si thermoelectric generators,” Appl. Phys. Express 13, 095001 (2020).
  2. M. Nomura, Y. Kage, D. Muller, D. Moser, and O. Paul, “Electrical and thermal properties of polycrystalline Si thin films with phononic crystal nanopatterning for thermoelectric applications,” Appl. Phys. Lett. 106, 223106 (2015).

フォノンエンジニアリングと半導体熱マネジメント

ナノスケール熱伝導の物理と熱流制御技術

※ 招待レビュー論文： Thermal phonon engineering by tailored nanostructures

半導体ではフォノンが熱伝導を担っており、その伝播を制御することで、本来材料固有であるはずの熱伝導率を人工的に制御することが可能になります。本研究室では、ナノスケールで顕著に発現するフォノンの弾道性と波動性を利用した弾道フォノニクスと熱フォノニクスを研究し、従来のフーリエ則では実現できない高度な熱流制御や熱伝導制御技術を発見・開発しています。

シリコンに100 nm程度の微細な空孔を設けた周期構造（フォノニック結晶ナノ構造）を作製すると、フォノン伝導に著しい変化を与えることができます。本研究室では、パルスレーザなどを用いた独自開発のマイクロ時間領域熱反射測定法によってナノスケールで現れる特徴的な熱伝導の物理を観測しています（図２）。光で非接触にナノ構造の熱伝導率を測定可能なこのシステムは、一般的な電気的測定法に比べて桁違いのスループットを有しており、高精度の熱伝導率測定を可能にしました。世界で初めて、フォノンの弾道性を利用した指向性熱流の生成と固体集熱の実現に成功し、新聞報道がなされました。

独自の三次元熱伝導測定およびイメージング技術により、AlN, SiC, h-BNなどの材料、デバイス放熱計測および解析を行っています。特に、計測が困難な面内熱伝導計測を得意としており、異方性材料の解析に強みを発揮しています。先端半導体やパワー半導体に欠かせない熱マネジメントを支援しています。

また、フォノンの弾道的輸送をシミュレートする、フォノン・モンテカルロ・アルゴリズムを開発し、無料オープンソースFreePATHSをリリースしています。固体における熱伝導制御の自由度を高め、放熱問題の課題解決に役立つことが期待されます。

Fig. 2. Nanoscale heat transfer studied by micro thermoreflectance method.

参考文献

  1. R. Anufriev and M. Nomura, “Ray phononics: Thermal guiding, emission, and shielding using ballistic phonon transport,” Mater. Today Phys. 15, 100272 (2020).
  2. R. Anufriev, S. Gluchko, S. Volz, and M. Nomura, “Quasi-ballistic heat conduction due to levy phonon flights in silicon nanowires,”ACS Nano 12, 11928–11935 (2018).
  3. R. Anufriev, A. Ramiere, J. Maire, and M. Nomura, “Heat guiding and focusing using ballistic phonon transport in phononic nanostructures,” Nature Communications 8, 15505 (2017).

フォノンハイブリッド量子科学

フォトン、エレクトロン、フォノン、スピンなど、一種類の量子については、単一で検出・制御が可能です。これらの量子が二つ連成した「ポラリトン」と呼ばれる新しい固有状態を形成すると、両者の性質を併せ持った特殊な準粒子になります。本研究では、誘電体表面において光とフォノンが連成した表面フォノンポラリトンによる熱伝導に関する研究を進めています。

薄膜では、フォノン熱伝導は強く抑制される一方で表面フォノンポラリトンは熱伝導への寄与が大きくなります。我々は、厚さ30 nmの窒化シリコン薄膜において様々な温度で熱伝導率を計測し、薄膜の厚さが薄くなるほど、また、温度が高くなるほど熱伝導率が高くなるという通常とは反対の減少を観測しました。これは、表面フォノンポラリトンが、窒化シリコン薄膜において主に熱伝導を担うことを示す証拠であり、表面フォノンポラリトン熱伝導がフォノン熱伝導を上回ることを実証しました。熱伝導、対流、放射の三つの主要な熱輸送機構に加え、薄膜材料においては、表面フォノンポラリトンも重要な放熱チャネルとなることが示しています。

Fig. 3. 表面フォノンポリトンによる熱伝導計測用実験系

参考文献

  1. Y. Wu, J. Ordonez-Miranda, L. Jalabert, S. Tachikawa, R. Anufriev, H. Fujita, S. Volz, and M. Nomura, “Observation of heat transport mediated by the propagation distance of surface phonon-polaritons over hundreds of micrometers,” Appl. Phys. Lett. 121, 112203 (2022).
  2. Y. Wu, J. Ordonez-Miranda, S. Gluchko, R. Anufriev, D. De Sousa Meneses, L. Del Campo, S. Volz, M. Nomura “Enhanced thermal conduction by surface phonon-polaritons” Science Advances 6, eabb4461 (2020).
  3. 科学技術振興機構と東大の共同発表記事

熱伝導に関する基礎研究

※ 招待レビュー論文： Review of thermal transport in phononic crystals

原子レベルの分解能で系をモデリングすることで、ナノスケール熱伝導の理解をより一層深めることが可能になります。分子動力学シミュレーションや第一原理計算、非平衡グリーン関数法を用いた原子レベルでのモデリングにより、ナノスケール熱伝導の物理について研究を行っています。特に、低次元系における熱フォノン輸送を、粒子および波動的描像の両側面から研究を進めており、フォノニックナノ構造中や構造界面におけるフォノンの量子的な性質と輸送特性、フォノン流体力学によるメソスコピック系におけるフォノン輸送について研究を行っています。

Fig. 4. Theoretical research and simulations.

参考文献

  1. X. Wu, X. Huang, L. Yang, Z. Zhang, Y. Guo, S. Volz, Q. Han, and M. Nomura, “Suppressed thermal transport in mathematically inspired 2D heterosystems”, Carbon 213, 118264 (2023).
  2. X. Huang, Y. Guo, Y. Wu, S. Masubuchi, K. Watanabe, T. Taniguchi, Z. Zhang, S. Volz, T. Machida, and M. Nomura, “Observation of phonon Poiseuille flow in isotopically purified graphite ribbons”, Nat. Commun., 14, 2044 (2023).
  3. Z. Zhang, Y. Guo, M. Bescond, J. Chen, M. Nomura, and S. Volz, “Heat conduction theory including phonon coherence,” Phys. Rev. Lett. 128, 015901 (2022).

熱フォノニクス

系のサイズがフォノンのコヒーレント長と同等になると、格子振動が本来有する波動的性質を考慮した熱伝導解析が重要になります。本研究室では、フォノニック結晶構造によるフォノンの波動性を積極利用した伝熱制御を目指すとともに、未知の部分が多い熱フォノニクス分野を開拓しています。熱フォノニクスを用いると、波動性に起因した直観に反する物理を実現できることが基礎物理として面白く、魅力的です。二次元フォノニック結晶が持つ完全な周期性に揺らぎを加えることで、熱伝導率を大きく変化させられることが可能なことを世界で初めて実証しました。この成果は、熱本来が持つ波動的性質を使った伝熱制御法として、伝熱工学の領域を広げるもので、新聞報道がなされました。熱フォノニクス研究の先進的な取り組みは応用物理学会の図解：応用物理学会の未来予測で取り上げられました。

Fig. 5. 人工結晶およびアモルファス構造. 熱の波動性を用いた熱伝導制御の実証を可能にした.

参考文献

  1. J. Maire, R. Anufriev, A. Ramiere, R. Yanagisawa, S. Volz, and M. Nomura, “Heat conduction tuning by wave nature of phonons,” Science Advances 3, e1700027 (2017)
  2. R. Anufriev and M. Nomura, “Thermal conductance boost in phononic crystal nanostructures,” Phys. Rev. B. 91, 245417 (2015)

オプトメカニクス系の物理と応用

解説記事：応用物理学会機関誌の解説記事

ナノスケールの物理系においては、光子のもつ運動量や光勾配力も構造に無視できない影響を与えます。したがって、光をうまく利用すれば、非接触で物体の運動を制御することが可能になります。我々は、半導体ナノ構造の高効率な運動光制御を目的として、機械特性の良い 半導体を材料に選択し、フォトニック結晶ナノ共振器に光を強く閉じ込めることで格段に増強された光とナノ構造機械振動間の結合の観測を行っています。フォトニック結晶ナノ共振器は、光をその回折限界程度に迫る小さな領域に閉じ込めることができ、光強度が自由空間よりも格段に高くなるため、小さい光パワーでの物体運動制御が可能になります。波長1.5 um帯に共鳴波長をもつフォトニック結晶ナノ共振器を作製することで、極めて強い光と機械振動の相互作用を実現することができます。光とナノ構造の振る舞いの結びつきを積極的に用いることで新しいアイデアに基づいた融合系ならではのユニークなデバイスの実現に取り組んでいます。

Fig. 6. Optomechanical circuit converting phonons in photons.

参考文献

  1. B. Kim, H. Kurokawa, H. Kosaka, and M. Nomura, “Design of a diamond optomechanical cavity with a color center for microwave-to-optical quantum interfaces,” arXiv:2305.08306v1 (2023).
  2. W. Shimizu, N. Naomi, K. Kohno, K. Hirakawa, and M. Nomura, “Waveguide coupled air-slot photonic crystal nanocavity for optomechanics,” Opt. Express, 21, 21961-21969 (2013).
  3. M. Nomura, “GaAs-based air-slot photonic crystal nanocavity for optomechanical oscillators,” Optics Express, 20, 5204-5212 (2012).