【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.15】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24TU0179
利用課題名 / Title
2次元フォトニック結晶の可視光制御～BICにおける励起子-ポラリトンの凝縮
利用した実施機関 / Support Institute
東北大学 / Tohoku Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions
キーワード / Keywords
CVD,フォトニクスデバイス/ Nanophotonics device,メタマテリアル/ Metamaterial,フォトニクス/ Photonics
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
村井 俊介
所属名 / Affiliation
京都大学 大学院工学研究科
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
シリコンナノ粒子のメタ表面において、強く結合した分子から四重極特性を持つBIC状態へのポラリトン凝縮体の形成を明らかにした。実験では、凝縮の閾値が励起スポットサイズに強く依存することを実証した。励起スポットサイズが増加するにつれて閾値は低下し、スポットサイズが約1 mm2で閾値は3 μm cm–2未満となり、凝縮体の寿命は20 psを超えた。閾値がスポットサイズに強く依存するのは、ポラリトンの伝播長が長いためである。凝縮を記述する速度式に励起子ポラリトンの輸送項を含めることで、シミュレーションでこの依存性を再現した。これらの結果は、ポラリトン輸送が凝縮において果たす重要な役割を示し、凝縮実験で励起のサイズを考慮することの重要性を明らかにしている。
実験 / Experimental
LPCVDにて作製したpoly Si 薄膜にEBリソグラフィとICPエッチングによりSiナノ粒子アレイ構造に加工した。得られたナノ粒子アレイにペリレン色素分子を含むPMMAをスピンコートし、励起スポットサイズが励起子ポラリトンの凝縮閾値に及ぼす影響について調査した。
結果と考察 / Results and Discussion
放射と材料損失が抑制される BIC状態では、ポラリトンの伝播が凝縮体からの全体的なポラリトン損失を支配する。したがってポラリトンの輸送がポラリトンレーザ発振閾値を決定する主な要因である。これは励起スポットの直径を、以前の研究で使用した約 400 µm を超えて増加させることで、閾値が40%低下して 3 µJ cm–2 になる実験結果と対応する。さらに、凝縮体の時間的コヒーレンスは、大きなスポットでの 21 ps を超える寿命 (Q 係数 66,000 に相当) から、より小さなスポットサイズではわずか数 ps にまで減少した。結合レート方程式を使用して閾値と時間的コヒーレンスの変化を説明した。時間的コヒーレンスの低下は、発光スペクトルの広がり、および発光のより大きな波数ベクトルと光子エネルギーへのシフトによって証明された。この研究結果は、ポラリトン凝縮体における光ポンピングサイズの重要性を明らかにし、低閾値コヒーレント発光や量子情報処理への応用のために、ナノスケール凝縮体にポラリトンを閉じ込めることの重要性を示した。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
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Anton Matthijs Berghuis, Condensation of Exciton–Polaritons in a Bound State in the Continuum: Effects of the Excitation Spot Size and Polariton Transport, ACS Nano, 18, 31987-31994(2024).
DOI: 10.1021/acsnano.4c09970
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件