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室温で右巻き・左巻き円偏光発光を自在に切替 ~次世代量子通信の光源技術としての応用に期待~

 名古屋大学,京都大学,東京都立大学は2021年7月27日,名古屋大学大学院工学研究科の蒲 江 助教ら,京都大学エネルギー理工学研究所の松田 一成 教授ら,東京都立大学の宮田 耕充 准教授らの共同研究グループが,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,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と共同発表した.本研究は独立行政法人日本学術振興会の科学研究費事業ほかの支援のもとで実施され,成果はドイツの科学雑誌Advanced Materialsオンライン版に掲載された(注).

 光には右巻き円偏光と左巻き円偏光があり,全ての光はこの2つの円偏光の重ね合わせでできる.右巻き円偏光と左巻き円偏光は,電子の上向きスピンと下向き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となる.通常,円偏光はレーザー光に光学位相板を用いて生成するが,応用の観点からは電気的に円偏光を制御することが望まれる.また,従来の円偏光発光デバイスは片方の円偏光のみ制御可能であったり,強磁場や低温環境が必須であったりといった制限があった.従って,室温で円偏光を自在に切替可能なデバイスの実現が課題になっている.

 この課題に対し本研究グループは,円偏光を生成及び制御可能な物質として,原子層の厚み(~0.8nm)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.タングステン原子(W)と硫黄原子(S)から成るTMDC(WS2)は赤外~可視光領域の発光材料で,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を生成可能となる.しかし,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替えたりするのは容易ではない.

 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実現した.まず,TMDC単層膜と電解質を用いた簡易な発光構造を組み合わせ,TMDCの電流励起発光を観測し,単層膜内に生じた局所歪み部分において円偏光発光が生じていることを発見した.次に,歪み効果がTMDCのバンド構造(バレー分極)に与える影響を考慮し,意図的に歪み方向や歪み強度を導入できるプラスチック基板上に同様な電解質発光デバイスを作製した.一様な歪みが加えられたデバイスから,室温円偏光の生成と,電場(電流)方向を反転させることで右巻き円偏光と左巻き円偏光を反転切替できることを実証した.

 本成果により,将来の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,原子層半導体を用いた発光デバイスの応用展開が期待される,としている.

(注)Jiang Pu, Wenjin Zhang, Hirofumi Matsuoka, Yu Kobayashi, Yuhei Takaguchi, Yasumitsu Miyata, Kazunari Matsuda, Yuhei Miyauchi, and Taishi Takenobu, "Room-temperature chiral light-emitting di-ode based on strained monolayer semiconductors", Advanced Materials, Early View, 2166001, DOI: 10.1002/adma.202100601; First published: 24 July 2021