工繊大，安定なポラリトン状態の室温凝縮を実現

京都工芸繊維大学の研究グループは，光と物質間のハイブリッドな量子状態であるポラリトン状態が，全無機ペロブスカイトにより，新しい形態で形成されることを示した（ニュースリリース）。

光の波長サイズの狭い領域に光波を閉じ込める光微小共振器を半導体材料を用いて作製することにより，半導体中の電子状態（電子／正孔対）と閉じ込められた光波（光子）のハイブリッドな性質を持つ準粒子が生成される。

これはポラリトンと呼ばれる準粒子状態で，レーザー光源の低閾値化や太陽電池の高効率化が期待されるほか，そのエネルギー凝縮相（ポラリトン凝縮相）は次世代量子デバイスのための量子媒体としても期待されている。

従来の研究ではこのポラリトン状態を形成させるために無機半導体や有機半導体が使用されてきた。しかし，前者は極低温のみでしかポラリトン状態が安定に形成できず，後者はポラリトン凝縮相形成に高いエネルギー注入が必要などの課題があった。

一方，太陽電池材料として注目を集める鉛ハライドペロブスカイト半導体は，非常に高い量子収率で蛍光を示すことから，LEDやレーザーへの応用可能性についても現在研究が盛んに行なわれている。しかしながら，その発光のメカニズムについてはよく理解されていなかった。

研究では，鉛ハライドペロブスカイト半導体が，室温かつ低エネルギー注入でポラリトン凝縮相を発現させるのに極めて有用だと明らかにした。そのカギは材料中で形成される電子励起状態の特殊性で，全無機元素で構成される鉛ハライドペロブスカイト半導体の一種（CsPbBr₃）では，光励起により室温で生成される一対の電子と正孔はスピン相関によりペアリングすることを発見した。

このスピン相関電子／正孔対が，共振器中に閉じ込められた光子との間で強く相互作用し，ポラリトン状態を形成する。このように形成されたポラリトン状態は，プラス電荷とマイナス電荷のクーロン力による通常の電子／正孔対によるポラリトン状態の場合と比較すると，10倍以上の高密度化でも安定に形成させることが可能だという。

加えて，このCsPbBr₃中に生成される電子／正孔対は，有機半導体などと比較すると原子核からの束縛が小さく，物質内を比較的自由に動き回ることができる。これは，巨視的な数のポラリトン粒子が，ボース・アインシュタイン凝縮を発現させるための重要な要素の一つとなる。

研究グループは，CsPbBr₃光微小共振器中のスピン相関電子正孔対におけるポラリトン凝縮相の発現を，特殊な光学実験により示した。これにより，室温でも安定したポラリトン状態を利用したLEDやレーザー，太陽電池などの光電子デバイスの進展が期待できるとしている。