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メタマテリアルの技術と応用

  • Technology and Applications of Metamaterial
(2007年『メタマテリアル―最新技術と応用―』普及版)

商品コード: B0972

  • 監修: 石原照也
  • 発行日: 2011年8月
  • 価格(税込): 4,968 円
  • 体裁: A5判,304ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-0356-7

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  • メタマテリアル,プラズモン,負,屈折率,左手系,アンテナ,センサ,マイクロ波,ミリ波,光

刊行にあたって

メタマテリアルとは メタマテリアルとは物質を超えた物質,材料を超えた材料という意味である。電磁波の波長に対してその波長よりも十分に小さい人工的な構造体をうまくデザインすると通常の物質では生じないような電磁応答が生じる。前世紀末に始まったこの分野の研究は現在急速に発展し,物理,材料科学,光学を含んだ新しいパラダイムとなっている。
 材料科学は化学的な手法によってマイクロな操作でミクロな原子の配列を制御し,様々な物性を持った物質を生み出してきた。しかし,このアプローチでは光領域で透磁率を負にしたり,屈折率を負にしたりすることはできない。メタマテリアルはこの限界に対して,人工的な構造を設計することによる処方箋を与えた。実効的にコイルとコンデンサを配置して電磁応答を制御するという考え方である。この考え方をさらに発展させると,種各の機能を持った電子回路を物質化して材料として考える観点があらわれてくる。このような考え方は物理と工学に対して,大きな恵みを与える土台となると予想される。
(「理研シンポジウム電磁メタマテリアル(2007年5月)」予稿集より,一部抜粋)

石原照也


<普及版の刊行にあたって>

 本書は2007年に『メタマテリアル―最新技術と応用―』として刊行されました。普及版の刊行にあたり,内容は当時のままであり加筆・訂正などの手は加えておりませんので,ご了承ください。

2011年8月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

監修
石原照也   (現)東北大学 大学院理学研究科 教授

編集委員
真田篤志   山口大学 大学院理工学研究科 准教授
梶川浩太郎  (現)東京工業大学 大学院総合理工学研究科 教授
田丸博晴   東京大学 先端科学技術研究センター 助教
        (現)東京大学 大学院工学系研究科附属 光量子科学研究センター 特任講師
萩行正憲   (現)大阪大学 レーザーエネルギー学研究センター 教授
岡本隆之   (独)理化学研究所 河田ナノフォトニクス研究室 先任研究員
尾辻泰一   東北大学 電気通信研究所 教授

執筆者
石原照也   (現)東北大学 大学院理学研究科 教授
真田篤志   山口大学 大学院理工学研究科 准教授
梶川浩太郎  (現)東京工業大学 大学院総合理工学研究科 教授
伊藤龍男   University of California, Los Angeles Electrical Engineering Department Professor
北野正雄   京都大学 大学院工学研究科 教授
田丸博晴   東京大学 先端科学技術研究センター 助教
        (現)東京大学 大学院工学系研究科附属 光量子科学研究センター 特任講師
黒川要一   (独)物質・材料研究機構 若手国際研究拠点 特別研究員
迫田和彰   (現)(独)物質・材料研究機構 量子ドットセンター センター長
セルゲイ G. ティホデーエフ  A.M. Prokhorov General Physics Institute RAS, Laboratory of Semiconductor Nanostructures Theory,Professor and Head;RIKEN Senior visiting researcher
永井正也   京都大学 大学院理学研究科 助教
蓑輪陽介   京都大学 大学院理学研究科
        (現)京都大学 物質-細胞統合システム拠点 特定研究員
田中耕一郎  (現)京都大学 物質-細胞統合システム拠点 教授
石川 篤   (現)(独)理化学研究所 基幹研究所 田中メタマテリアル研究室 基礎科学特別研究員
堀井康史   (現)関西大学 総合情報学部 教授
上田哲也   京都工芸繊維大学 大学院工芸科学研究科 電子システム工学部門 助教
萩行正憲   (現)大阪大学 レーザーエネルギー学研究センター 教授
宮丸文章   信州大学 理学部 物理学科 助教
高野恵介   (現)大阪大学 レーザーエネルギー学研究センター 特任研究員
岡本隆之   (独)理化学研究所 河田ナノフォトニクス研究室 先任研究員
岡本敏弘   徳島大学 大学院ソシオテクノサイエンス研究部 先進物質材料部門 助教
原口雅宣   徳島大学 大学院ソシオテクノサイエンス研究部 先進物質材料部門 准教授
福井萬壽夫  徳島大学 大学院ソシオテクノサイエンス研究部 先進物質材料部門 教授
        (現)徳島大学 本部 理事(研究担当)・副学長
冨田知志   奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学研究科 助教
宮崎康次   九州工業大学 大学院生命体工学研究科 准教授
        (現)九州工業大学 工学研究院 機械知能工学研究系 教授
田中拓男   (現)(独)理化学研究所 田中メタマテリアル研究室 准主任研究員
高原淳一   (現)大阪大学 大学院工学研究科 精密科学・応用物理学専攻 教授
尾辻泰一   東北大学 電気通信研究所 教授
榊原久二男  名古屋工業大学 大学院工学研究科 情報工学専攻 准教授
佐野栄一   北海道大学 量子集積エレクトロニクス研究センター 教授
楢原浩一   (現)山形大学 大学院理工学研究科 准教授
佐藤和夫   (現)(株)豊田中央研究所 情報エレクトロニクス研究部 電波応用研究室 室長

執筆者の所属表記は,注記以外は2007年当時のものを使用しております。

目次

【総論編】
第1章 メタマテリアルの歴史
1. はじめに
2. ベセラゴの考えたこと
3. ペンドリーの人工媒質
4. 負の屈折の実験的検証
5. ペンドリーの完全レンズ
6. 種々の批判と反論
7. 均質化の概念と方法
8. 今後の展望

第2章 最新の研究動向
1. マイクロ波・ミリ波帯における最新動向
2. 光領域における最新動向
3. 超解像とクローキング

第3章 光学分野におけるメタマテリアルの産業化
1. メタマテリアルとは
2. メタ物質と実在物質の対応
3. 完全レンズ
4. まとめ

第4章 マイクロ波メタマテリアル構造の開発
1. 序論
2. 黎明期
3. 右手/左手系複合メタマテリアル構造
4. 他のアプローチ
5. 結論

【基礎編】
第1章 マクスウェル方程式
1. はじめに
2. マクスウェル方程式
3. 光速と真空インピーダンス
4. マクスウェル方程式の構造
4.1 光速の役割
4.2 真空のインピーダンスの役割
5. 巨視的マクスウェル方程式
5.1 微視的マクスウェル方程式
5.2 粗視化
6. 媒質の構成方程式
7. 屈折率
8. 位相速度,群速度,エネルギー流
9. 波動インピーダンス
10. 一般座標変換
11. おわりに

第2章 回路理論からのアプローチ
1. 伝送線路理論
2. 周期構造線路
3. 非共振型左手系メタマテリアル
4. バランス型右手/左手系複合(CRLH)線路
5. 次元右手/左手系複合媒質

第3章 電磁場の数値計算(FDTD法)
1. はじめに
2. FDTD法
3. メタマテリアル研究におけるFDTD法の位置付け
4. 巨視的モデルによる透磁率の表現:μ≠μ0の計算
5. 微視的モデルによる透磁率の表現:μ=μ0の計算
6. まとめ
7. さいごに

第4章 電磁場の数値計算法(境界要素法)
1. 序論
2. 電磁場の数値計算法
3. 計算法
3.1 積分方程式
3.2 離散化
3.3 内部電磁場と散乱電磁場
3.4 TEモード
4. 計算結果
5. まとめ

第5章 メタマテリアルにおける有効誘電率と有効透磁率の決定
1. はじめに
2. 転送行列と有効光学定数の抽出方法
3. εとμの抽出のための散乱行列
4. いくつかの実例
4.1 孔のあいた2重金属膜
4.2 金属膜上の金属ストリップ対
5. 結論

第6章 メタマテリアル薄膜の実効的誘電率・透磁率の決定

第7章 SRR(分割リング共振器)の短波長化
1. はじめに―SRR(分割リング共振器)の短波長化の必要性―
2. SRRの動作原理
3. 光周波数領域における金属の特性
4. SRRの磁気応答の周波数特性
5. まとめ―最近の動向―

【材料編】
第1章 平面型左手系メタマテリアル
1. 分布定数型負屈折率メタマテリアル
2. 基本伝送特性
3. 負屈折率スラブレンズ

第2章 誘電体左手系メタマテリアル I
1. はじめに
2. 原理
3. 密閉型1次元CDPメタマテリアル
4. 密閉型2次元CDPメタマテリアル
5. 開放型2次元CDPメタマテリアル
6. CDPメタマテリアルの今後について

第3章 誘電体左手系メタマテリアル II
1. あらまし
2. 誘電体共振器からなる構造の持つ実効誘電率および透磁率
3. 左手系メタマテリアルの構成方法
3.1 2種類の誘電体共振器群による構成
3.2 単一誘電体共振器群とその相互結合による構成
4. 負誘電率媒質中に配置された1種類の誘電体共振器群からなる構成
5. むすび

第4章 テラヘルツメタマテリアル
1. はじめに
2. THz帯での磁気メタマテリアルとNIM
3. 磁気共鳴の電気的励起
4. メタマテリアルの動的制御
5. 金属微細構造体中のTHz波伝播
6. まとめ

第5章 メタマテリアルにおける損失補償と利得
1. はじめに
2. 利得媒質中のエバネッセント光
3. 表面プラズモン共鳴における利得媒質
4. メタマテリアルにおける利得媒質
5. 利得媒質

第6章 メタマテリアルにおける非線形光学効果
1. はじめに
2. 波長変換(SHG,THG,光パラメトリック増幅・発振)
3. 光カー効果
3.1 比透磁率の光強度依存性
3.2 光双安定現象
4. 光学非線形を持つメタマテリアル
5. 最後に

第7章 ナノコンポジットによるメタマテリアル
1. はじめに
2. 磁性ナノコンポジットによる左手系メタマテリアルの理論的背景
2.1 電子磁気共鳴を用いた透磁率制御
2.2 多粒子系での電子磁気共鳴
2.3 共鳴磁場シフトの計算
3. 磁性ナノコンポジットによる左手系メタマテリアル実現に向けた実験
3.1 磁性ナノコンポジット膜の作製
3.2 電子磁気共鳴測定
4. まとめと今後の展望

第8章 熱電メタマテリアル
1. はじめに
2. 熱電半導体の効率
3. 熱伝導率低減による熱電発電効率の改善
4. フォノン輸送と熱伝導率
5. ボルツマン輸送方程式によるフォノンの扱い
6. 分子動力学計算によるナノ構造の熱伝導
7. ナノ構造物の熱伝導に関する実験
8. まとめ

【応用編】
第1章 メタマテリアルを用いた無反射光機能素子
1. はじめに
2. ブリュースター
3. 異方性メタマテリアル
4. 無偏光ブリュースター素子
5. まとめ

第2章 メタマテリアルによるセンシング
1. はじめに
2. アフィニティーバイオセンサ
3. 表面増強ラマン散乱
4. 光アンテナ
5. まとめ

第3章 メタマテリアルによる熱輻射制御
1. はじめに
2. 微小共振器アレイの構造と材料
3. 負誘電体微小共振器アレイにおける熱輻射
3.1 微小共振器アレイの構造
3.2 共振器のサイズによるスペクトルの違い
3.3 擬似表面プラズモン
4. 応用
5. おわりに

第4章 プラズモニックメタマテリアルのテラヘルツデバイス応用
1. はじめに
2. 半導体2次元プラズモンの物理
3. テラヘルツ帯光源への応用
3.1 2次元プラズモン共鳴型エミッタ/フォトミキサー
3.2 試作素子の室温電磁波放射特性
4. メタマテリアルの信号処理回路への応用
4.1 周期2次元プラズモン2重層による分散制御
4.2 テラヘルツ帯周波数逓倍器
4.3 テラヘルツ帯変調器
5. むすび

第5章 メタマテリアル技術のアンテナへの応用とその可能性
1. メタマテリアルの電波への応用
1.1 人工磁気導体の利用
1.2 伝送線路の波長制御
2. メタマテリアルによる波長制御
2.1 誘電体媒質による波長短縮とメタマテリアルによる波長短縮
2.2 メタマテリアルによる波長拡大と左手系伝送線路
2.3 左手系伝送線路とその設計
3. アンテナへの応用
3.1 アンテナの小型化
3.2 アンテナの指向性制御
4. メタマテリアルの導波管への応用
4.1 導波管伝送線路と内部周期構造
4.2 アンテナの特性とメタマテリアル導入の効果
5. まとめ

第6章 能動受動融合メタマテリアルによるミリ波機能回路
1. ミリ波応用
2. ミリ波デバイス
3. メタマテリアル
4. メタマテリアルのICチップ上への集積化

第7章 非線形CRLH線路のソリトンパルス応用
1. はじめに
2. 一次元非線形CRLH線路におけるソリトン生成
3. 二次元非線形CRLH線路における擬似ソリトン
4. おわりに

第8章 ミリ波帯左手系アンテナと自動車レーダアンテナへの応用
1. はじめに
2. 右手/左手系伝送線路を利用したビーム走査アンテナの概念
3. ビーム走査アンテナの設計
4. 実験結果
5. まとめ
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