京大ら，磁場によって単一光子の発生効率を向上

京都大学と物質・材料研究機構（NIMS）は、次世代半導体である二セレン化タングステン（WSe₂）にわずかな欠陥を導入し，そこから発せられる光（発光）を通して，単一光子源としての機能を調べた結果，わずかな磁場をかけると，発光信号がより強くなり（明るくなり），単一光子発生の様子が変化することを見出した（ニュースリリース）。

インターネットに代表される古典的な光通信は，セキュリティの面において限界があるのに対し，量子力学の原理に基づく光の粒子性（単一の光子）を利用した量子情報通信では，こうした限界を克服する可能性がある。

近年，単層の遷移金属ダイカルコゲナイドに代表されるわずか原子数層の極めて薄い二次元半導体が，その優れた電気・光学的な特性から次世代半導体として大きな注目を集めている。

その中でも単層の二セレン化タングステン（WSe₂）においては，わずかな欠陥（材料の不完全性）を導入すると，光で生成された励起子（電子と正孔対）がその欠陥に束縛され，再結合で光を発する際に単一の光子のみを放出する。

そのため，量子情報通信に不可欠な一個の光子のみを発する単一光子発生源として，大きな可能性を秘める一方，その単一の光子発生の効率をどのように上げるかが課題となっている。

そこで我々は，単層の二セレン化タングステンを加熱することで，わずかな欠陥を導入した試料を作製した。これに対して，光で生成された電子とホール対（励起子）では，欠陥が導入されることで結晶の対称性が破れ，光学的に活性な「明るい励起子」と光学的に不活性な「暗い励起子」の二種類の状態が生じる。実際に約－265度の極低温では，これら二種類の励起子から生じる二つの鋭い発光のピークが観測された。

ここで，一般的な半導体の光学実験で使用する磁場の1/10程度の磁石で1テスラ（10000ガウス）以下の比較的弱い磁場を印加すると，明るく発光するようになることを見出した。これはわずかな磁場でも，二つの励起子の状態が良く混ざり合う事に起因しているという。

さらに，放出された光の統計性を確認するため，光子相関測定を行なったところ，光子一つ一つが放出される光子アンチバンチングが明確に示された。これは，磁場下でも一つ一つの光子を発生させる単一光子源と働くこと，また，磁場によって単一光子発生の効率を上げることができることを示している。これにより，単一光子発生を制御する方法として磁場をかけるという，新たな指針を示した。

研究グループは，将来の量子通信システムの有望なアプローチやプラットフォームとして利用しうることが期待される成果だとしている。