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固体中で光の情報を制御する新現象を発見東京大学,大阪大学,理化学研究所 研究グループ

 東京大学,大阪大学,理化学研究所の研究グループは,新たな二次元物質として注目される二硫化モリブデン(MoS2)の単層を用いて,入射光の偏光情報を保った励 起子を伝達し,選択的に空間分離することが可能な新現象(励起子ホール効果)を発見したと発表した。
 フォトダイオードやLEDを構成する半導体の受光・発光において,励起子といわれる複合粒子が主要な役割を果たす。励起子は素子の電気特性と光を結びつける概念として20世紀半ばから研究が続いてきたが,その光のエネルギー・情報を受け取った励起子そのものを伝達・制御し,光エレクトロニクスにつなげようとする研究は極めて少なかった。一方,固体中の様々な粒子の軌道を曲げて制御するホール効果と呼ばれる現象は広く研究されてきたが,励起子については全く報告がなかった。
 今回,単層二硫化モリブデン内の励起子が光の偏光情報と結合することに着目し,その特異な励起子が磁場を加えなくてもホール効果を示すことを発見した。これは 光の偏光情報を固体中で励起子として選択的に輸送できることを示しており,励起子を直接的に用いた新たな光エレクトロニクスなどの基礎となりうる結果である。新現象ゆえ詳細な特性に関する理論的・実験的研究が不足しているが,この発見を契機として,励起子のような複合粒子の量子輸送を記述する基礎理論の構築や今まで注 目されなった励起子輸送の研究が他の半導体物質で加速することが期待される。また,バレー励起子により偏光情報が長距離保たれ,また励起子ホール効果によりその 空間選択的な輸送が可能であることも示された。現状では低温での動作に留まっているが,今回の発見を契機として,偏光により入出力を行うバレーメモリーや偏光を 用いた次世代光通信デバイスの実現に向けた研究が,今後広がっていくことが期待される。

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