京大,半導体量子ドットの集団増強効果を観測

京都大学の研究グループは,半導体量子ドットを結合させた結合量子ドット膜において,量子ドットどうしが協力し合うことで現れる集団増強効果を世界で初めて観測することに成功した(ニュースリリース)。

半導体量子ドットは,大きさが数ナノメートルから十数ナノメートルの半導体結晶。

サイズと組成を変えることで光吸収エネルギーや発光エネルギーを自在に制御できることから,この材料を用いた太陽電池や発光ダイオード,レーザーなどの開発に向けた応用研究が活発に行なわれている。

これまでは発光効率や材料の安定性の観点から量子ドット自体の 「個々」の性能を高める研究が行なわれてきたが,量子ドットを集めた「集団」としての性質については,十分に理解が進んでいなかった。

そこで,研究グループは集団の量子ドットを結合させた結合量子ドット膜に着目。量子ドットの結合によって量子力学的な電子の波動関数を直接的に干渉させることができるため,集団としての新しい量子協力効果が現れると考えた。

研究グループは,化学合成したPbS量子ドットを結合させた結合量子ドット膜を作製し,量子ドット間結合によって生まれる電子応答を計測した。結合量子ドットの特性は電子の量子力学的な振る舞いに現れるため,その特性を正確にとらえる測定法が必要だった。

そこで,2つのレーザーパルス光によって物質中の電子の量子干渉を観測する方法を用いた。レーザー光照射によって作られた電子を電流として取り出すことができる光電流型の量子干渉測定を新たに開発することで,量子ドット間結合の役割を正確にとらえることができるようになった。

その結果,結合量子ドットでは量子干渉の信号が増大することを発見した。この増大傾向は,結合していない量子ドットでは現れない集団量子ドットの新しい集団増強効果だという。さらに,照射したレーザーの周波数の定数倍の周波数を持った量子干渉信号が増大していること,つまり結合量子ドットの中で光の周波数を倍増して変換できることが分かった。

量子ドット間の結合を利用することで,新しい量子協力効果(量子干渉の集団増強効果)を生み出すことを発見したことは,化学と物理学の技術によって生み出された結合量子系であり,結合が生み出す量子効果の理解を深める基礎科学的に重要な結果だという。

さらに,集団増強効果を光電流で検出することに成功したことについて研究グループは,量子ドット間結合を利用した次世代量子デバイスとして高感度の量子センサーや新たなエネルギー変換技術につながる波及効果が期待されるものだとしている。

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