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円偏光を放出する微細素子  ― 半導体キラルナノ周期構造による自然放出の円偏光化 ―東京大学 五神真

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 光や電波のような電磁波は,電場と磁場が振動しながら空間を伝わる。その振動方向が,光が進むにつれて右回り,もしくは左回りに変化していくような性質を持つ光を“円偏光”と呼ぶ。生体中で重要な役割を担っているキラル分子(鏡映対称性を持たない分子)は,片方の回転方向の円偏光と強い相互作用があるため,生体分子の検出や選択的生成には円偏光状態の光が必要である。また,円偏光状態の光は,固体中の電子スピンと相互作用するため,電子スピン制御に基づいた新しいエレクトロニクス(スピントロニクス)や量子情報技術においても重要である。
 これまで円偏光状態の光を得るためには,他の発光源からの光を液晶や固体結晶の偏光フィルターを通して円偏光化する手法が一般的であった。しかしながら,光がフィルターを通る際には所望の円偏光状態以外の光は捨てられてしまうため,エネルギー利用効率が低くなってしまうという問題がある。また,複数の光学素子を組み合わせるためデバイスの小型化も難しい。これらを解決するためには,フィルターを用いることなく,円偏光の光を直接放出するデバイスが実現できればよい。これまで我々は,波長以下のスケールの微細加工によって生じる偏光制御技術の開拓に取り組んできた1)。これに基づき本研究では,共振器量子電気力学効果として知られる,真空の電磁波状態を人工的に制御する手法を拡張し,これを実現する新たな手法を考案・実証した(図1)2)。
 我々は,ガリウムヒ素系の半導体薄膜を用いて,光導波路上にナノスケールの卍構造が周期的に配置された半導体キラルナノ周期構造を電子線ビームリソグラフィーによって作製した。導波路層の内部には,発光体としてインジウムヒ素量子ドットが配置されている。この構造の電子顕微鏡写真を図2に示す。このような卍形の構造は,生体分子と同様に,鏡に映した形がもとの形と重ならないという特徴(キラリティー)を持つ。量子ドットを光励起し,発光スペクトルの右回りおよび左回りの各円偏光成分を測定したところ,その強度が大きく異なることが分かった[図3(a),(b)]。観測された円偏光度(偏り)の大きさは,最大で約26%に達した[図3(c)]。これは,構造のキラリティーによって,左右円偏光に接続する電磁場モードに対する真空場揺らぎの空間分布(真空場モード密度分布)が大きく非対称になった結果,量子ドットからの発光が円偏光化したものである。この実験結果は,数値計算の結果とよい一致を示した。
 大きさが分子程度の物体のミクロなキラリティーが発光に影響を与えることはこれまでに知られていたが,今回のものは,本来キラリティーを有しない物質に微細加工を施すことで,大きなキラリティーを誘起し,それによって発光を円偏光化する新しい手法である。外部磁場などを用いることなしに,円偏光放射を室温で得ることができ,既存の半導体プロセスを用いて作製可能であるため,半導体素子へのモノリシック集積化にも適しており,発光ダイオードや半導体レーザー素子への応用が期待される。
 本研究は東京大学大学院 工学系研究科附属光量子科学研究センターおよび,理学系研究科物理学専攻 五神研究室と,東京大学生産技術研究所の荒川泰彦教授の研究室との共同研究によるものである。なお本研究は,戦略的創造研究推進事業CREST(科学技術振興機構),科学技術振興調整費先端融合領域イノベーション創出拠点プログラムおよび,最先端の光の創成を目指したネットワーク拠点プログラム,科研費新学術領域研究(文部科学省),最先端研究開発支援プログラム(日本学術振興会)の支援によって行われ,研究成果は文献2)とともに,American Physical SocietyのPhysical Review Focus(http://focus.aps.org/story/v27/st4)に取り上げられた。

参考文献

  1. 小西邦昭,五神真:“ナノ格子による巨大旋光性”,応用物理,Vol. 78, No. 6, pp. 531?535 (2009)
  2. K. Konishi, M. Nomura, N. Kumagai, S. Iwamoto, Y. Arakawa, and M. KuwataミGonokami:“Circularly Polarized Light Emission from Semiconductor Planar Chiral Nanostructures”,Physical Review Letters 106, 057402 (2011)

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