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メタマテリアルII(普及版)

  • Metamaterial II(Popular Edition)
  • NEW
2012年刊「メタマテリアルII」の普及版!!前書をアップデートするとともに、アンテナ、レンズ、センサ、光記録、電子部品などで、従来の材料ではなしえない飛躍的な高性能化の作製技術を解説!!

商品コード: B1218

  • 監修: 石原照也・真田篤志・梶川浩太郎
  • 発行日: 2017年9月8日
  • 価格(税込): 6,048 円
  • 体裁: B5判、278ページ
  • ISBNコード: 978-4-7813-1211-8

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  • 物理的基礎 / 伝送線路メタマテリアルの基礎と設計 / トポロジー最適化技術 / FDTD法 / 電磁場解析

刊行にあたって

 2009~2011年度にメタマテリアルに関心をもつ学界,産業界の研究者が集い「メタマテリアルの開発と応用」という研究会が毎年数回開かれました。これは日本学術振興会と国際高等研究所からのご援助をいただき,先導的研究開発委員会および研究プロジェクトとして,国内のメタマテリアルの研究のネットワーク化,相互活性化をめざして行われたものです。この3年間の活動で研究メンバーの相互理解は深まり,共同研究が始まったことなど,大きな成果がありました。
 本書はそこで行われたさまざまな専門家による講演の内容をより広い方々に知っていただくために,2007年に出版した『メタマテリアル-最新技術と応用-』をアップデートする形で企画されました。1864年にマクスウェルが電磁気学の体系を確立してから次第に発展して,電磁波工学,光学,固体物理学などに分化していった学問が,構造による機能の発現という切り口で統一的な視点を与えられ,メタマテリアルという新しいパラダイムが確立しつつあります。今,まさに新しい時代の幕が開けたところだと言えるでしょう。この時期に一度分野の全体を俯瞰したうえ,それぞれの研究者が,個々の問題に取り組んでゆくことは大変重要なことだと思います。
 メタマテリアルへの関心は高く,今年度に入ってからでも,META2012(Paris),PECS-X (Santa Fe),Metamaterial'2012(St. Petersburg)など,メタマテリアルが議論される国際会議が続きます。私自身は現在ちょうどCLEO (Conference on Lasers and Electro-Optics)という会議に参加しているところです。これらの会議のウェブサイトを訪れることで,最先端の話題について知ることができるでしょう。本書がそのためのよい手引きとなることを願って世の中に送り出す次第です。

2012年5月
サンノゼにて 石原照也

<普及版の刊行にあたって>

 本書は2012年に『メタマテリアルII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。

2017年9月  シーエムシー出版 編集部

著者一覧

石原照也   東北大学
真田篤志   山口大学 
梶川浩太郎  東京工業大学 
野村壮史   (株)豊田中央研究所 
山﨑慎太郎  芝浦工業大学 
宇野亨   東京農工大学
西村直志   京都大学 
張紀久夫   (元)豊田理化学研究所 
北野正雄   京都大学 
玉山泰宏   京都大学 
上田哲也   京都工芸繊維大学
酒井道    京都大学
飯田琢也   大阪府立大学 
服部祐徳   大阪府立大学 
日高慎平   大阪府立大学 
蓑輪陽介   大阪大学 
田中耕一郎  京都大学
高野恵介   大阪大学 
宮丸文章   信州大学
萩行正憲   大阪大学 
落合友四郎  大妻女子大学
ホセ・ナチェル  公立はこだて未来大学 
冨田知志   奈良先端科学技術大学院大学
東條淳    (株)村田製作所 
道下尚文   防衛大学校
出口博之   同志社大学 
辻幹男    同志社大学 
本城和彦   電気通信大学 
尾内敏彦   キヤノン(株)
関口亮太   キヤノン(株)
福田浩章   (株)リコー 
杉本喜正   (独)物質・材料研究機構
池田直樹   (独)物質・材料研究機構 
金森義明   東北大学 
田中拓男   (独)理化学研究所 
藪浩     東北大学 

執筆者の所属表記は、2012年当時のものを使用しております。

目次

【第1編 基礎】
第1章 メタマテリアルの物理的基礎   
1 はじめに
2 負の屈折率
3 人工電磁媒質の粗視化
3.1 電磁場の粗視化の手続き
3.2 金属筒と分割リング共振器
3.3 金属細線配列
4 マイクロ波領域における負の屈折と結像の実験的検証
4.1 分割リングと金属ワイア複合系
4.2 伝送線路によるアプローチ
5 光領域のメタマテリアルデザイン
5.1 構造デザインの工夫による短波長化
5.2 薄膜試料における有効誘電率,透磁率の決定
5.3 光領域のs偏光Brewster現象
6 ベセラゴレンズとペンドリーの完全レンズ

第2章 伝送線路メタマテリアルの基礎と設計  
1 はじめに
2 伝送線路メタマテリアル
3 右手/左手系複合(CRLH)線路
3.1 右手系線路
3.2 理想左手系線路
3.3 CRLH線路
4 バランス型CRLH線路
5 2次元CRLHメタマテリアル

第3章 メタマテリアルのためのトポロジー最適化技術  
1 はじめに
2 レベルセット法に基づく定式化
3 最適化手続き
4 数値例
5 むすび

第4章 FDTD法の基礎と特殊媒質への応用 
1 はじめに
2 基本概念とアルゴリズム
2.1 Yeeアルゴリズム
2.2 計算上の注意
2.2.1 物体のモデル化
2.2.2 外部波源
2.2.3 セルサイズと時間ステップ
2.2.4 計算機資源
3 分散・異方・非線形媒質
3.1 周波数分散性媒質
3.2 左手系媒質の取り扱い
3.3 異方性媒質
3.4 非線形媒質
4 吸収境界条件
4.1 Murの吸収境界条件
4.2 PML吸収境界条件
5 周期構造
5.1 散乱問題
5.2 分散ダイアグラム

第5章 周期多重極境界要素法による電磁場解析 
1 はじめに
2 境界要素法と高速多重極法
3 Maxwell 方程式における境界要素法と高速多重極法
3.1 非周期境界値問題
3.2 周期境界値問題
3.3 周期多重極法
4 数値解析例
4.1 2重漁網構造
4.2 分割リング共鳴器
4.3 光誘起起電力
5 おわりに

第6章 電磁応答理論の階層構造に適合する巨視的Maxwell方程式   
1 はじめに
2 微視的応答理論
3 巨視化:微視的方程式の長波長近似
4 従来形式との対比
5 メタマテリアル研究への寄与

【第2編 現象】
第7章 メタマテリアルの基礎的問題と旋光性媒質に対する無反射現象  
1 はじめに
2 負屈折率媒質における波動の伝搬速度
2.1 ローレンツモデル
2.2 エネルギー密度, ポインティングベクトル, エネルギー速度
2.3 エネルギー速度と群速度の比較
3 旋光性媒質に対する無反射現象
3.1 旋光性媒質の基礎
3.2 無反射条件の導出
3.2.1 ξ= 0 の場合
3.2.2 ξ≠0, Zc≠Z0の場合
3.2.3 ξ=0,Zc=Z0の場合
3.3 カイラル真空の応用
4 まとめ

第8章 磁性体からなる非相反メタマテリアル 
1 はじめに
2 非相反回路
3 高周波磁性体と透磁率テンソル
4 非相反性の発現
4.1 非相反性の分類
4.2 エッジガイドモード
4.3 負の実効透磁率と左手系メタマテリアル
5 非相反移相右手系/左手系複合伝送線路
6 漏れ波放射特性
7 擬似進行波共振器
8 おわりに

第9章 プラズマを構成要素とするメタマテリアルの機能と応用検討  
1 はじめに
2 プラズマの複素誘電率
3 線形なプラズマ・メタマテリアル構造
4 プラズマ・メタマテリアルの非線形性
5 おわりに

第10章 光誘起力によるプラズモニックナノ複合体の作製と光機能制御  
1 はじめに
2 熱揺らぎの下での光誘起力による運動制御の原理
2.1 光誘起力の基本的性質とナノ物質操作への展開
2.2 光誘起力と熱揺らぎの下でのナノ粒子の動的過程の計算手法
3 光誘起力を利用したプラズモニックナノ複合体の配列制御
3.1 金属ナノ粒子対における物質間光誘起力とDLVO力
3.2 物質間光誘起力によるナノ粒子の配列・光機能制御
3.3 偏光特性をデザインされた光源による金属ナノ粒子の配列制御
4 まとめ

第11章 エヴァネッセント光の増幅と完全レンズ 
1 完全レンズ
2 空間分解能
3 エヴァネッセント光の増幅
4 全反射減衰分光法

第12章 テラヘルツ領域のメタマテリアル 
1 はじめに
2 平面テラヘルツメタマテリアルの応答
3 超微細インクジェット工法を用いた分割リング共振器の作製と応答
3.1 平面分割リング共振器配列
3.2 基板直立型分割リング共振器配列
4 動的テラヘルツメタマテリアル
4.1 光学的手法によるメタマテリアルの動的制御
4.2 電気的手法によるメタマテリアルの動的制御
4.3 メタアトムを装荷したテラヘルツ波放射用光伝導アンテナの動的制御
5 3次元テラヘルツメタマテリアル
5.1 薄いフィルム上のメタマテリアル
5.2 3次元メタマテリアル
6 まとめ

第13章 クローキング媒質の設計方法 
1 はじめに
2 曲がった空間の幾何学と媒質(Transforamation Optics)
3 異方性媒質による透明マント
3.1 円柱状の異方性媒質の透明マント
3.2 球状の異方性媒質の透明マント
3.3 透明マントの実験
4 等方性媒質を用いた透明マント
5 おわりに

第14章 金属ナノ構造との複合体を用いたメタマテリアル 
1 はじめに
2 金属・絶縁体多層膜メタマテリアルでのスーパーレンズ効果
3 金属・絶縁体多層膜メタマテリアルでの共鳴光輸送
4 金属ナノ粒子との複合体構造を用いたメタマテリアル
5 生体超分子を用いた光学メタマテリアル
6 おわりに

【第3編 デバイス・応用】
第15章 電子部品のメタマテリアルへの応用   
1 はじめに
2 MLCCによる負の透磁率の実現
3 コイルによる負の誘電率の実現
4 左手系チップ部品の実現
5 商品応用
5.1 トラップフィルタ
5.2 密結合カプラ
5.3 整合回路
6 おわりに

第16章 メタマテリアルのアンテナ応用 
1 はじめに
2 アンテナ間相互結合抑制用寄生素子
3 UHF帯広帯域漏れ波アンテナ
4 広帯域で低姿勢な右手/左手系複合伝送線路を用いた漏れ波アンテナ
5 むすび

第17章 導体基板付きコプレーナ線路を基にした右手/左手系複合伝送線路と漏洩波アンテナへの応用
1 はじめに
2 平面回路線路を基にした右手/左手系複合伝送線路の基本特性
2.1 概要
2.2 右手/左手系複合伝送線路
2.3 空間漏洩
2.4 導体基板付きコプレーナ線路を基にした右手/左手系複合伝送線路
3 数値計算例
3.1 通過特性
3.2 分散特性
3.3 右手/左手系複合伝送線路のバランス条件
3.4 バランス条件を満たす右手/左手系複合伝送線路の設計例
4 導体基板付きコプレーナ線路を基にした右手/左手系複合漏洩波アンテナ
4.1 減衰定数
4.2 放射特性

第18章 マイクロ波アクティブデバイス 
1 回路応用から見た右手・左手系材料
1.1 伝送線路と媒質の相似性
1.2 単位CRLH回路の設計
1.3 並列に右手系回路を接続した右手左手系複合回路の基本特性
1.4 GaAs MMIC構成による右手左手系複合回路の実現
1.5 UWB用InGaP/GaAs HBT MMIC超広帯域増幅器の群遅延補償

第19章 半導体テラヘルツ波発生デバイスとその応
1 はじめに
2 光励起型発生デバイス
2.1 光伝導素子
2.2 集積センサーチップ
3 電流注入型発生デバイス
3.1 テラヘルツ発振器
3.2 共鳴トンネルダイオード発振器

第20章 近接場光記録の最新技術 
1 はじめに
2 近接場光を用いた高密度光記録
3 微細積層構造を有する記録媒体と近接場光ヘッドに関する検討
4 ナノ金属微細構造とその光学特性
5 今後の展開

【第4編 作製】
第21章 プラズモニック・メタマテリアル作製のための微細加工技術   
1 はじめに
2 アルミニウム薄膜を用いたプラズモン・カラー・フィルタのための微細加工
2.1 プラズモン・カラー・フィルタの設計
2.2 微細加工プロセス
2.3 光学特性
3 金属/誘電体積層構造メタマテリアルのための微細加工
3.1 素子設計
3.2 微細加工プロセス
3.3 光学特性評価
4 まとめ

第22章 金属ナノ構造作製のためのインプリント技術
1 はじめに
2 ナノインプリント技術
2.1 熱ナノインプリント
2.1.1 モールドの製作
2.1.2 熱ナノインプリント
2.2 光ナノインプリント
3 金属ナノ構造の製作例
3.1 ナノインプリントとドライエッチングによる製作
3.2 ナノインプリントとリフトオフによる製作
3.2.1 熱ナノインプリント方式
3.2.2 光ナノインプリント方式
3.2.3 光ナノインプリント(ソフトモールド)方式
3.2.4 室温ナノインプリント方式
3.2.5 Roll to Rollナノインプリントと金属蒸着による製作
3.3 金属の直接ナノインプリントによる製作
3.4 電気化学的ナノインプリントによる製作
3.5 ナノインプリントと金属斜め蒸着による製作
3.6 金属ナノ粒子のナノインプリントによる製作
3.7 金属パターンの転写による製作
3.8 ナノ・インスクライブによる製作
3.9 三次元構造の製作
4 おわりに

第23章 3次元金属ナノ構造作製のための多光子技術 
1 はじめに
2 光加工と3次元
3 多光子過程を利用した3次元分解能の獲得
4 2光子重合と金属コーティング
5 2光子還元法
6 おわりに


第24章 メタマテリアルの自己組織的作製 
1 はじめに
2 自己組織化により形成されるパターンと人工原子への応用
3 金属ナノ粒子集積体のメタマテリアルへの応用
4 ミクロ相分離構造を利用したメタマテリアルの創製
5 まとめ
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