名大ら,室温で円偏光の向きを変えられる光源開発

名古屋大学,京都大学,東京都立大学は,原子スケールの厚みを持つ半導体に歪みを与えることで,世界で初めて,室温において右巻き・左巻き円偏光発光を電気的に生成及び切替可能な発光デバイスの実現に成功した(ニュースリリース)。

右巻き円偏光と左巻き円偏光は,電子の量子情報である上スピンと下スピンと相互変換できるため,光を利用した量子通信・コンピューティングの情報担体として重要な役割を担う。

通常,円偏光はレーザー光と光学板等を用いて間接的に生成されるが,電気的に直接円偏光を制御可能な光源・デバイスがあれば,制御や駆動環境の制限が無くなる。

研究では,円偏光を生成及び制御可能な物質として,原子層の厚みを有する半導体である,遷移金属ダイカルコゲナイド(TMDC)に注目した。TMDCは赤外―可視光領域の発光材料であることに加え,特殊な結晶構造に由来した特異なバンド構造(バレー分極)を有している。

このバレー分極に起因するスピン選択則(円偏光選択則)により,TMDCは右巻き円偏光と左巻き円偏光の生成が可能となる。しかしながら,一般にTMDCを用いて発光デバイスを作製しても,右巻きと左巻きの円偏光は等数生じてしまい,片方の円偏光のみ生成したり,右巻きと左巻きを切り替えたりするのは容易ではない。また,円偏光状態no
維持に極低温での測定も避けられないという。

そこで今回,TMDC単層膜に歪みを加えることで結晶構造を変形させ,それに伴うバンド構造変調を活かすことで,室温において右巻き円偏光と左巻き円偏光を生成及び切替可能な発光デバイスを初めて実現した。

まず,TMDC単層膜と独自技術である電解質(イオンゲル)を用いた簡易な発光構造を組み合わせたところ,単層膜内に生じた局所歪み部分において強固な円偏光発光が生じていることを発見した。

また,局所歪みがない部分の発光では極低温でのみ僅かな円偏光発光が生じ,歪みがある部分では,室温付近においても比較的大きな円偏光分極を観測し,歪みと円偏光発光制御の相関を見出した。

次に,歪み方向と電場(電流)方向を最適化することで,右巻き円偏光と左巻き円偏光を生成及び切替可能なメカニズムを提唱した。同様な電解質発光デバイスにより,室温円偏光の生成と,電場(電流)方向を反転させることで円二色比(右巻き・左巻きの相対強度)も反転できることを実証し,電気的に切替可能な室温円偏光デバイスを実現した。

この手法は,原理的に右巻き・左巻き円偏光発光を極めて高い二色比で制御可能だと予想され,光量子通信や量子コンピュータの情報担体を担う光源技術として期待できるとしている。

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