NTTら，光励起電子と超音波のハイブリッド状態を実現

日本電信電話（NTT）と日本大学は，通信波長の光に共鳴する希土類元素を添加した超音波素子により，数ミリ秒の長い寿命を持つ光励起電子とギガヘルツ超音波のハイブリッド状態を生成した（ニュースリリース）。

希土類元素のエルビウム（Er）は，通信波長の光に共鳴する内殻電子を有する。外殻電子によって遮蔽された内殻電子は外界の影響を受けにくいため，Erは高い量子コヒーレンスが得られる元素として量子光メモリに利用されている。

しかし，この遮蔽効果は内殻電子の外部制御も難しくし，電場を用いて結晶中Erの光共鳴周波数を1GHz変調するには100V以上の高電圧が必要。

今回研究グループは，Erを添加した結晶基板上に超音波の一種である表面弾性波を生成する素子を作製することで，約2GHzの振動歪を結晶表面に集中させ，Erの光共鳴周波数の高速変調に成功した。

この変調速度は励起電子の寿命よりも速く，電子が共鳴線幅を上回る周波数で変調されるため，通信波長帯に共鳴する電子とギガヘルツ超音波のハイブリッド状態が生み出される。

この状態を実現するには，Erを添加した結晶の上に高周波超音波を生成する構造が必要。実験で使用するEr添加結晶は圧電特性を持たないため，超音波を電気的に生成するための圧電性薄膜を結晶表面に堆積する必要がある。

研究グループは，NTTの高い圧電特性と周波数特性を併せ持つ高品質な窒化アルミニウム（AlN）の成膜技術を用いて，Er添加結晶上にAlN圧電膜を形成した高周波超音波素子を作製した。

この素子で結晶表面付近のEr光共鳴周波数を1GHz変調するのに必要な電圧は0.3Vと，低電圧で大きな変調が得られる。今回作製した超音波素子には同位体純化されたErを用いた。

電子と超音波のハイブリッド状態を実現するためには，Erの共鳴線幅を上回る周波数でEr電子準位を高速変調する必要があるため，なるべく細い線幅を与えるErを用いる必要がある。

Erには共鳴周波数が僅かに異なる複数の同位体が存在し，同位体純化したErの利用により，共鳴線幅は500MHzにまで狭線化される。今回，これに2GHzの超音波を作用させた。

また，狭い共鳴線幅の光吸収の評価には，レーザー光の周波数を高精度に安定化する必要がある。研究グループは，光周波数コムを利用したレーザー光の周波数安定化機構の共同開発により，従来比で3桁ほど周波数精度の高い実験を可能とした。

研究グループはこの成果により，低電圧な超音波励起を用いたコヒーレンスの高い希土類電子の制御が可能となるため，将来的な省エネ量子光メモリ素子への応用が期待されるとしている。