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アインシュタインが光電効果の理論、ブラウン運動の理論、特殊相対性理論という革命的な3つの論文を発表してからちょうど100年。IUPAP（国際純正応用物理学連合）総会は、2005年を世界物理年（World Year of Physics＝WYP2005）と定めた。この間、われわれは高度情報化社会を構築し、ユビキタスネットワーク社会を実現させるまでに至った。これからも、今まで以上に先端研究が進められ、さまざまな技術革新によって生活が進化していくことだろう。その一例として、光学分野の先端テーマである「フォトニック結晶」と、理論物理の先端テーマである「フラクタル」が結びついて生まれた「フォトニックフラクタル」と呼ぶ先端技術がある。この技術の誕生背景について、研究グループの中心的存在である信州大学理学部の武田三男教授に聞いた。

武田 三男
Takeda Mitsuo
信州大学
理学部 物理科学科 教授
信州大学発ベンチャー
（株）先端赤外　主席顧問

Profile
1973年信州大学理学部卒、1975年新潟大学大学院理学研究科修士課程修了、1978年名古屋大学大学院工学研究科博士課程修了、工学博士。名古屋大学工学部助手、信州大学教養部助教授、同大学理学部助教授を経て1997年5月から現職。2004年6月科学技術振興機構の支援により信州大学発ベンチャー「（株）先端赤外」を設立し、主席顧問を勤める。研究テーマはフォトニック結晶による放射場の制御、強誘電体構造相転移機構の解明、テラヘルツ時間領域分光計の開発など。

■光と電磁波に関係するフォトニック結晶が注目を浴びています。フォトニック結晶の研究を始められたきっかけは何だったのですか。

武田：10年以上前に、北海道大学の井上久遠教授（当時、北海道大学電子科学研究所所長を経て現在は同大学名誉教授）に測定を頼まれたのがきっかけです。私の研究室では、結晶の性質を測定するための高性能な分光装置を開発していました。1990年ころに井上先生から「米国ではフォトニック結晶を盛んに研究している。日本でもやりたい。君のところには優れた分光装置があるから、是非いっしょにやらないか」と何度も誘われました。大変な意気込みに圧倒され、「お手伝させていただきたい」とご返答しました。つまり私は、引きずり込まれたというような状況だったわけです。

井上先生は「今後の研究人生をフォトニック結晶に賭ける」とおっしゃっており、大変な熱心さでした。1993年に井上先生からのお願いで浜松ホトニクスさんに試料を作製していただいて、私のところで測定を実施しました。

■測定結果はいかがでしたか。

武田：フォトニック結晶からは狙い通り、きれいな結果が得られました。この結果を基に論文を発表したり、解説記事を専門誌に執筆したりしたところ、文部科学省の科学研究費補助金特定領域研究（1998年度～2001年度）に選ばれました。それで6つのグループでフォトニック結晶の研究を立ち上げました。フォトニック結晶の基本概念を1979年に提唱した千葉大学の大高一雄教授を初め、京都大学の野田進教授、横浜国立大学の馬場俊彦教授、北海道大学の井上教授と迫田和彰助教授（当時、現在は物質・材料研究機構ナノマテリアル研究所主席研究員、筑波大学大学院教授）、理化学研究所の青柳克信主任研究員（当時、現在は東京工業大学教授）、そして私のところです。

■先端技術としてフォトニック結晶の面白いところはどこですか。

武田：フォトニック結晶中では、半導体や金属中の電子と同じような性質を光（電磁波）が持つことです。半導体結晶中では電子がバンド構造をとります。そしてバンドギャップと呼ぶ、存在を許されないエネルギー状態が出現します。フォトニック結晶では光がバンド構造をとり、場合によってはバンドギャップが出てくるのです。

フォトニック結晶は周期構造をしています。これは半導体中で原子が周期的に並んでいるのと同じです。この周期をわざと乱してやりますと、光を閉じ込められます。この閉じ込めをうまく使うと、光をいろいろと制御できるのです。

■フラクタルのご研究は、武田先生と同じ信州大学理学部で統計力学を研究しておられる本田勝也教授との雑談がきっかけだと聞いております。

武田：本田先生は名古屋大学で私と同じ応用物理を研究していた先輩ですから、いろいろなことを普段から話しています。フラクタルの話題が出たのは、入学試験の試験監督控室でお昼の弁当を食べながら雑談していたときです。本田先生からフラクタルという構造があるのだけど、実験をしてみないかと持ちかけられました。本田先生は統計力学がご専門です。フラクタルの教科書を著しており、その教科書を控室に持ってきまして、教科書をめくりながら、「フラクタルにはさまざまな構造があるのだけれども面白いのは何かないか」とたずねられました。そうしたらメンジャースポンジと呼ぶ立体構造（p.1写真）が私の目にとまりまして、これなら何か出そうかなと思いました。

■しかし実際に実験を始めるまでには約2年の歳月を要したそうですね。

武田：当時は電磁波ではなくて、弾性波（音波）の実験をお願いされていたため、2年間くらい手をつけなかったのです。弾性波を励起するためにメンジャースポンジと呼ぶ立体構造の全体を揺らしたいのですが、これがすごく難しくて、良い方法を思い付かなかったからです。ところがあるとき、電磁波を全体に照射してやれば、立体構造を振動させられそうだと気付きました。でも3次元の複雑な構造物を作ることは、一般には非常に難しいのです。

しかし幸いなことに、セラミックスの研究者である大阪大学接合科学研究所の宮本欽生教授と桐原聡秀助手のグループが、3次元構造を作れる光造形装置を持っておられました。両先生とはフォトニック結晶の国際会議でお会いして以来、共同研究をしていましたので、製作をお願いできないかと考えました。急いでメンジャースポンジの図面と信州の地酒を持って大阪大学を訪れました。桐原先生は「これならすぐ作れますよ」と、すぐにメンジャースポンジを作っていただきました。

■当時の実験を振り返ってください。

武田：宮本先生のところでマイクロ波領域で実験したところ、それらしき結果を得ました。しかし最初は、勘違いしていたのです。弾性的な励起状態を捉えたと思い、それでずっと喜んでいたのですよ。それが、よく考えてみたらメンジャースポンジはエポキシ樹脂製ですから、そんなに高い周波数で振動するはずがない。測定では10GHz近いところにシグナルがあるんです。それで電磁波が閉じ込められていることによるシグナルだという推論に達しました。

でも計算による証明が出るまでは不安でしたね。最近になって迫田和彰先生による計算でも定性的にはほぼ同様な結果を得ましたので、電磁波が局在していることが確実になりました。1年間ほど、迫田先生はスーパーコンピュータを使って計算をなさっていたのです。2004年の夏に、電磁波が非常にきれいに閉じ込められているパターンをいくつか得ました。それでようやく、ほっとできました。

■電磁波を閉じ込めるフラクタルということで「フォトニックフラクタル」と名付けられました。学会ではどのように評価されましたか。

武田：国際学会で発表したところ、反応は両極端に分かれました。フォトニック結晶の研究者からは、それほど高く評価されなかったようです。フォトニック結晶の「亜流」だと。一方、フラクタルの研究者や数学者の方は、非常に面白いと評価してくださいました。

■今後、どのような分野への応用が考えられますか。

武田：宮本先生のグループといっしょに、フォトニックフラクタルの応用を目指した研究会を発足させました。現在では約15社の企業が参加しています。具体的な応用となるとまだ難しいのですが、電磁波吸収体やアンテナの効率を上げられるので、マイクロ波発振器にはすぐにでも使えると考えています。

■電子デバイスへの応用はいかがでしょうか。

武田：一番面白いと思っているのは、原子の配列がフラクタル構造になったとき、電子のふるまいがどうなるかです。何かに埋め込むことによってこういった構造が作れれば、面白い電子デバイスが実現できるのではないかと思います。

■今回の研究成果は、武田先生と同じように先端研究に関わっている方々から注目を集めています。何かアドバイスをお願いできませんか。

武田：元々、私は最先端を追いかけるというよりも、地味な研究を行ってきた方なのでアドバイスというとおこがましいのですが。ただ、フォトニックフラクタルの研究では、基本的な概念を突き詰めるところから新しいものが出てきました。この経験が教えてくれたことは、あまり目先のことは追わないほうがよい、ということなのかなと考えています。

■その点で、企業で行う研究というのは、利益につながる成果がノルマになっているようなところがあるように思いますが、大学での研究というのはいかがでしょうか。

武田：目標がないわけではありませんが、より新しい何かを深く求め続ける場所と表現した方が正解かもしれません。そして大学の研究室には、研究と教育の２つの機能が求められますから、研究だけに没頭したいのでしたら企業の研究所に勤務していたほうが良いでしょうね。そういう意味もあって、私の場合、大学の自室にはあまりこもっていません。多くは研究室の学生といっしょに活動しています。

また、手先が器用なほうで、何でも自作するのが好きな性格だったものですから、実験装置や測定装置などもかなり自作してきました。このあたりは、企業に比べて大学が、財源的に豊かではなく、市販されていない装置を自作しないと前へ進めないという現実からくることでもあるのですが、私の研究スタイルのベースにもなっているようですね。

そこで、研究室に配属された学生にはまず、旋盤などを動かすことを覚えてもらい、研究に必要なモノを作ってもらうようにしているんです。この作業は、個人的に非常に楽しいことでもあるのですが、研究という側面からも、基本的なところを押さえ直すのに役立ちます。

■ 本日はどうもありがとうございました。