研究紹介：メタマテリアル応用編

こんにちは。M２の楠見です。

前回（4/2参照)、メタマテリアルの研究の基礎的な部分をお話ししました。

今回はとても魅力的なメタマテリアルの応用のお話を。

前回の内容から、

負の屈折を実現したメタマテリアルを応用し、

金属のリングの形によって、屈折率を細かく設定することができるようになりました。

それにより、光の軌道をある程度自在に操作することができます。

これは様々な分野で応用されています！

ーー応用①ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

メタマテリアルでは、ハリーポッターで出てくるような透明マントが実現できると考えられています。

背景（山の絵）から出た光が、もし隠したいものを避けるように進んだなら、

観察者の目に届くことで、観察者から隠したいものは見えなくなります。

よって、隠したいものを避けるように光の軌道を操作するメタマテリアルを設計してやれば、

透明マントの役割を果たすことになります。（このようなメタマテリアルの性質をクローキングといいます。）

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既に、マイクロ波領域（可視光よりも長い波長を持っている波）での実験は成功しています。

子どもの夢を叶えるようなとてもワクワクする研究です！

ーー応用②ーーー－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

また、メタマテリアルは光だけでなく、音波や水の波など

あらゆる「波」に対して同じ理論を使って応用されています。

例えば、応用①で紹介したクローキングを示すメタマテリアルを、水の波に応用することもできると考えられています。

水の波に対するメタマテリアルが実現できれば、街の周りにそれを設置すれば、

水の波が、メタマテリアル内の家屋や町を避けて通るようになる、ということも考えられます！

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私たちは今この研究を主に進めています！！

緩やかな波だけでなく、津波に対するメタマテリアルが完成すれば、多くの命、財産を守ることができるかもしれません。

ーー応用③ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

宇宙物理学への応用もあります！

メタマテリアルで実験室スケールで宇宙の現象を再現しようと試みられています。

小林研の研究の１つに、「宇宙のはじまり」の研究があります。

宇宙のはじまりは、非常に小さく熱く、ある領域よりも昔は直接観測することは

理論的に不可能であると考えられています。

それによって、宇宙のはじまりについては観測的に検証することが困難で、

様々な仮説が乱立している状態です。

そこで、実験室スケールで宇宙をモデル化し、その実験結果から知見を得ようとする

「実験室的宇宙論」という分野があります。

私は卒業研究で、この実験室的宇宙論の研究をしました！それも少しご紹介します ´ω` )/

現在の宇宙は膨張していることが分かっています。

ということは、過去へさかのぼると、どんどん小さくなっていき、

宇宙がはじまったときには大きさがゼロになってしまいます。

今ある星や銀河が大きさがゼロの点に集まっていたということは、

密度は無限大に発散していることになりますが、これはやはり不自然です。

この密度が無限大に発散する点を「特異点」と呼び、この問題を特異点問題といいます。

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この特異点問題を解決するために、ホーキング（車いすの物理学者で有名ですね！）たちは

今の宇宙に流れている時間を「実時間」としたとき、

宇宙が始まる前には「虚時間」というものが存在しており、

宇宙は「有限の大きさから始まった」のだという説を唱えました。

確かにそのように考えれば、宇宙の大きさがゼロから始まることにはなりません。

虚時間から実時間へ変化するとき、

時空を表す式（線素といいます）の時間的な部分の符号が

−から＋に変化することからこの現象を「時間符号変化」といいます。

お、－（負)や＋(正)など符号を変える、

というのはいかにもメタマテリアルが使えそうじゃないですか？（ちょっと無理矢理？(笑)）

実際に、メタマテリアル内を進む波の式とこの時空を進む波の式は対応関係が見られます。

今までは、ずっと誘電率（または透磁率）が負になるようなメタマテリアルしか紹介していませんが、

ここでは誘電率を＋から－へ変えられるような金属（ガリウム）で作ったメタマテリアルを用います。

誘電率の符号変化でこの時間符号変化はモデル化することができるのです！

この宇宙の時間符号変化については、実際に観測することはできないのでどんな現象が

起こるかは予想しかできませんが、メタマテリアルでは実験が可能です！

時間符号変化をモデル化したメタマテリアルで考えてみると、

なんと、この虚時間から実時間への変化のときに粒子が生成する可能性があることが

示唆されました！！！

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長くなりましたがこのようにメタマテリアルには応用できることがたくさんあります！

メタマテリアルすごいなーって思った方、

こんなメタマテリアル作ってみたいなーって方、

体は大きいけど手先が器用ですって方など、どんな方でも興味を持ってくださった方がいらっしゃれば一緒に研究できたらうれしいなと思います(*´▽｀*)（宣伝です)