モアレ超構造における協力的量子光学現象の開拓

• Project/Area Number: 21H01012
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 篠北 啓介 京都大学, エネルギー理工学研究所, 助教 (60806446)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥11,700,000 (Direct Cost: ¥9,000,000、Indirect Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2021: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
• Keywords: 光物性 / 半導体物性 / ナノ材料

Outline of Research at the Start

わずか原子数層からなるグラフェン類縁物質である二次元物質やそのヘテロ構造は、従来の半導体ナノ構造とは質的に異なる特異な光学的性質を示すことから、新しい物質科学・物性物理学の研究対象として注目を集めている。本研究課題では、二次元物質を角度をつけて積層した人工ヘテロ構造において発現するモアレ超構造を利活用することで、これまでに実現されていない光配列・高密度な励起子集合体となる新たな量子システムを実現し、光子場を介して形成される励起子間相互作用による超蛍光現象や単一超蛍光現象をはじめとする協力的な新規量子光学現象の発現とその制御を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、モアレ超構造を利用して励起子を精密に自在配列し、励起子間相互作用による新しい巨視的な量子光学現象を探究し、それらを支配する普遍的な物理を明らかにすることを目的としている。モアレ超構造を利用してこれまでに実現されていない高配列・高密度な励起子集合体となる新たな量子システムを構築し、従来の光と物質の相互作用の枠組みを超えた新たな量子光学現象の発現を目指している。本研究を通して、光と物質の相互作用の根源的な理解が深化され、基礎学術において大きなブレークスルーをもたらす可能性を秘めている。
令和5年度は、まずWSe2/MoSe2の原子層ヘテロ構造からの発光の干渉測定を行いモアレ励起子の長い量子コヒーレンスを観測し、モアレ超構造において量子ドットのような０次元系が実現できていることを示した。さらに、モアレ超構造からの単一光子発生を観測し、量子光源としての機能性を明らかにした。また、モアレ超構造における励起子がコヒーレントに相互作用することで生じる量子ビートの観測を行い、モアレ励起子の協力的な相互作用に由来する量子光学現象を観測することができた。
より多数のモアレ励起子の相互作用の実現には、高い振動子強度が不可欠であると考え、WSe2/WSe2原子層ヘテロ構造を作製し、その光学特性を明らかにした。まず、WSe2/WSe2原子層ヘテロ構造の混成励起子由来の特異な円偏光特性の解明を行なった。さらに、発光の時間発展や反射測定から、WSe2/MoSe2原子層ヘテロ構造に比べて一桁以上振動子強度が強く発光レートの増大を観測することができた。超蛍光現象などの協力的量子光学現象の観測が可能であることを定量的に見積もることができ、さらなる量子光学現象を実現するプラットフォームとして有望であることを明らかにした。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Symmetry Engineering in Twisted Bilayer WTe2 (2023)
  • Author(s): Y. Zhang, K. Kamiya, T. Yamamoto, M. Sakano, X. Yang, S. Masubuchi, S. Okazaki, K. Shinokita, T. Chen, K. Aso, Y. Yamada-Takamura, Y. Oshima, K. Watanabe, T. Taniguchi, K. Matsuda, T. Sasagawa, K. Ishizaka, and T. Machida
  • Journal Title: Nano Lett. Volume: 23 Issue: 20 Pages: 9280-9280
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c02327
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamics of Moire Exciton in a Twisted MoSe2/WSe2 Heterobilayer (2023)
  • Author(s): Kim Heejun、Aino Kumpei、Shinokita Keisuke、Zhang Wenjin、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Matsuda Kazunari
  • Journal Title: Advanced Optical Materials Volume: 11 Issue: 14 Pages: 2300146-2300146
  • DOI: 10.1002/adom.202300146
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Shift‐Current Photovoltaics Based on a Non‐Centrosymmetric Phase in In‐Plane Ferroelectric SnS (2023)
  • Author(s): Chang Yih‐Ren、Nanae Ryo、Kitamura Satsuki、Nishimura Tomonori、Wang Haonan、Xiang Yubei、Shinokita Keisuke、Matsuda Kazunari、Taniguchi Takashi、Watanabe Kenji、Nagashio Kosuke
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: 35 Issue: 29 Pages: 2301172-2301172
  • DOI: 10.1002/adma.202301172
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dynamics of Moire Trion and Its Valley Polarization in a Microfabricated WSe2/MoSe2 Heterobilayer (2023)
  • Author(s): Kim Heejun、Dong Duanfei、Okamura Yuki、Shinokita Keisuke、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Matsuda Kazunari
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 17 Issue: 14 Pages: 13715-13723
  • DOI: 10.1021/acsnano.3c02952
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Valley Relaxation of the Moir? Excitons in a WSe2/MoSe2 Heterobilayer (2022)
  • Author(s): Shinokita Keisuke、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Matsuda Kazunari
  • Journal Title: ACS Nano Volume: 16 Issue: 10 Pages: 16862-16868
  • DOI: 10.1021/acsnano.2c06813
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Continuous Color‐Tunable Light‐Emitting Devices Based on Compositionally Graded Monolayer Transition Metal Dichalcogenide Alloys (2022)
  • Author(s): Pu Jiang、Ou Hao、Yamada Tomoyuki、Wada Naoki、Naito Hibiki、Ogura Hiroto、Endo Takahiko、Liu Zheng、Irisawa Toshifumi、Yanagi Kazuhiro、Nakanishi Yusuke、Gao Yanlin、Maruyama Mina、Okada Susumu、Shinokita Keisuke、Matsuda Kazunari、Miyata Yasumitsu、Takenobu Taishi
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: 34 Issue: 44 Pages: 2203250-2203250
  • DOI: 10.1002/adma.202203250
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Magnon‐Coupled Intralayer Moire Trion in Monolayer Semiconductor-Antiferromagnet Heterostructures (2022)
  • Author(s): Zhang Yan、Kim Heejun、Zhang Wenjin、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Gao Yanlin、Maruyama Mina、Okada Susumu、Shinokita Keisuke、Matsuda Kazunari
  • Journal Title: Advanced Materials Volume: - Issue: 18 Pages: 2200301-2200301
  • DOI: 10.1002/adma.202200301
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Resonant Coupling of a Moire Exciton to a Phonon in a WSe2/MoSe2 Heterobilayer (2021)
  • Author(s): Shinokita Keisuke、Miyauchi Yuhei、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Matsuda Kazunari
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 21 Issue: 14 Pages: 5938-5944
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c00733
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Efficient robotic fabrication of large area monolayer semiconductors (2024)
  • Author(s): Wataru Idehara, Fan Yang, Keisuke Shinokita, Kazunari Matsuda
  • Organizer: 第66回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Strain-influenced optical properties of moire excitonic states in MoSe2/WSe2 van der Waals heterostructures (2024)
  • Author(s): Yanlin Wang, Keisuke Shinokita, Kazunari Matsuda
  • Organizer: 第66回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Dynamic of defect-localized excitons in monolayer WSe2 under in-plane magnetic field (2024)
  • Author(s): Yubei Xiang, Keisuke Shinokita, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • Organizer: 第66回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Mie 共鳴を示すシリコンナノ粒子と結合した単層 WSe2 の光学特性 (2024)
  • Author(s): 呉 柊斗, 篠北 啓介, 杉本 泰, 藤井 稔, 松田 一成
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] MoS2/CrPS4 人工ヘテロ構造デバイスにおける磁気光起電力特性 (2024)
  • Author(s): 朝田 秀一 , 篠北 啓介 , 松田 一成
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ロボット技術支援による高効率・大面積な単層半導体作製システムの構築 (2024)
  • Author(s): 出原 渉 , 篠北 啓介 , 松田 一成 , Yang Fan
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Valley polarized hybridized excitons in MoSe2/WS2 heterobilayers (2023)
  • Author(s): Sho Shomura, Keisuke Shinokita, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • Organizer: 第65回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Dynamic of moire trion in mircrofabricated WSe2/MoSe2 heterobilayer (2023)
  • Author(s): Heejun Kim, Duanfei Dong, Yuki Okamura, Keisuke Shinokita, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • Organizer: 第65回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Strain Modulation to Moire Superlattices in Two-Dimensional Material van der Waals Heterostructures (2023)
  • Author(s): Hao Ou, Koshi Oi, Rei Usami, Takahiko Endo, Keisuke Shinokita, Kazunari Matsuda, Yasumitsu Miyata, Jiang Pu, Taishi Takenobu
  • Organizer: 第65回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] エッチングフリー金剥離法による二次元半導体作製手法の確立 (2023)
  • Author(s): 村瀬 大騎、篠北 啓介、若藤 祐斉、小野寺 桃子、町田 友樹、谷口 尚、渡邊 賢司、松田 一成
  • Organizer: 2023年第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 面内分極を持つMoS2/SnSヘテロ界面による自発的光起電力 (2023)
  • Author(s): 平林 弘暉、篠北 啓介、渡邊 賢司、谷口 尚、松田 一成
  • Organizer: 2023年第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] ツイストWSe2/WSe2ホモ二層における混成励起子の光学特性 (2023)
  • Author(s): 篠北啓介，渡邊賢司，谷口尚，松田一成
  • Organizer: 日本物理学会2023年秋季大会
• [Presentation] ツイスト二次元ヘテロ構造におけるモアレ励起子の光科学 (2023)
  • Author(s): 篠北啓介
  • Organizer: 2023年第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • Invited
• [Presentation] Moire excitonic states in a twisted WSe2/MoSe2 heterobilayers (2023)
  • Author(s): 篠北啓介
  • Organizer: JSAP-OPTICA joint symposium
  • Invited
• [Presentation] Strain Modulation to Moire Superlattices in Transition Metal Dichalcogenide van der Waals Heterostructures (2023)
  • Author(s): Hao Ou, Koshi Oi, Rei Usami, Takahiko Endo, Keisuke Shinokita, Kazunari Matsuda, Yasumitsu Miyata, Jiang Pu, Taishi Takenobu
  • Organizer: 2023年第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Observation of quantum coherence of a single moire exciton in nano-fabricated twisted MoSe2/WSe2 heterobilayers (2023)
  • Author(s): Wang Haonan, Heejun Kim, Duanfei Dong, Keisuke Shinokita, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • Organizer: 2023年第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Fabrication of artificially designed two-dimensional material and van der Waals heterostructure by fully dry transfer method (2023)
  • Author(s): Daiki Murase, Keisuke Shinokita, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • Organizer: 64回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Symmetry control of twisted bilayer WTe2 using van der Waals assembly (2023)
  • Author(s): Keisuke Kamiya, Yijin Zhang, Takato Yamamoto, Masato Sakano, Keisuke Shinokita, Shota Okazaki, Satoru Masubuchi, Rai Moriya, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Takao Sasagawa, Kazunari Matsuda, Kyoko Ishizaka, Tomoki Machida
  • Organizer: 64回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Fabrication of highly strained monolayer light-emitting devices (2023)
  • Author(s): Koshi Oi, Jiang Pu, Hao Ou, Rei Usami, Takahiko Endo, Yasumitsu Miyata, Keisuke Shinokita, Kazunari Matsuda, Taishi Takenobu
  • Organizer: 64回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Continuous color-tunable light-emitting devices based on compositionally graded monolayer transition metal dichalcogenide alloys (2023)
  • Author(s): Jiang Pu, Hao Ou, Tomoyuki Yamada, Naoki Wada, Hibiki Naito, Hiroto Ogura, Takahiko Endo, Zheng Liu, Toshifumi Irisawa, Kazuhiro Yanagi, Yusuke Nakanishi, Yanlin Gao, Mina Maruyama, Susumu Okada, Keisuke Shinokita, Kazunari Matsuda, Yasumitsu Miyata, Taishi Takenobu
  • Organizer: 64回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Observation of a single moire exciton in nano-fabricated twisted MoSe2/WSe2 heterobilayers (2023)
  • Author(s): Haonan Wang, Heejun Kim, Keisuke Shinokita, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • Organizer: 64回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Bayesian optimization for the mechanical exfoliation of monolayer WSe2 (2023)
  • Author(s): Kumpei Aino, Keisuke Shinokita, Kazunari Matsuda
  • Organizer: 64回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] WSe2/MoSe2ヘテロ二層におけるモアレ励起子の円偏光分解発光励起スペクトル (2022)
  • Author(s): 篠北啓介，渡邊賢司，谷口尚，松田一成
  • Organizer: 日本物理学会2022年秋季大会
• [Presentation] Negative circularly polarization of moire exciton luminescence in WSe2/MoSe2 heterobilayers (2022)
  • Author(s): Keisuke Shinokita, Kunpei Aino, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • Organizer: 62回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Electrically tunable moir3 trions in twisted WSe2/MoSe2 heterobilayers (2022)
  • Author(s): Duanfei Dong, Wenjin Zhang, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Keisuke Shinokita, Kazunari Matsuda
  • Organizer: 62回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Spontaneous photocurrent of WSe2/CrPS4 hetero-interface with in-plane polarization and highly air-stability. (2022)
  • Author(s): Shuichi Asada, Keisuke Shinokita, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • Organizer: 62回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] A small number of moire exciton photoluminescence in nanofabricated MoSe2/WSe2 heterobilayers (2022)
  • Author(s): Yuki Okamura, Keisuke Shinokita, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • Organizer: 62回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] WSe2/MoSe2ヘテロ二層におけるモアレ励起子の円偏光発光分光 (2022)
  • Author(s): 篠北啓介，相野薫平，渡邊賢司，谷口尚，松田一成
  • Organizer: 62回 フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] 微細加工した MoSe2/WSe2ヘテロ二層の少数モアレ励起子による光学特性 (2022)
  • Author(s): 岡村 勇輝、篠北 啓介、渡邊 賢司、谷口 尚、松田 一成
  • Organizer: 2022年第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] WSe2/MoSe2ヘテロ二層の発光スペクトルの強度依存性 (2021)
  • Author(s): 篠北啓介, 宮内雄平, 松田一成
  • Organizer: 日本物理学会2021年秋季大会
• [Presentation] Moire exciton-phonon resonance in a WSe2/MoSe2 heterobilayer (2021)
  • Author(s): Keisuke Shinokita, Yuhei Miyauchi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会 JSAP-OSA Joint Symposia
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Novel excitonic features of moire exciton in twisted van der Waals heterostructures (2021)
  • Author(s): Keisuke Shinokita, Yuhei Miyauchi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • Organizer: 第61回フラーレン・ナノチューブ・グラフェン総合シンポジウム
• [Presentation] Dynamics of Moire Exciton in MoSe2-WSe2 Heterstrosucture (2021)
  • Author(s): Heejun Kim、Keisuke Shinokita、Wenjin Zhang、Kenji Watanabe、Takashi Taniguchi、Kazunari Matsuda
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会 JSAP-OSA Joint Symposia
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 原子層強誘電材料のバルク光起電力発電を実証 ――ナノ発電実現へ新たな道を開拓――
  • URL: https://www.iae.kyoto-u.ac.jp/new-iae/NewsRelease/JP/2023/06/07-140000.html
• [Remarks] 原子層強誘電材料のバルク光起電力発電を実証 ―ナノ発電実現へ新たな道を開拓―
  • URL: https://www.t.u-tokyo.ac.jp/press/pr2023-06-07-001
• [Remarks] 微細加工WSe2/MoSe2ヘテロ構造におけるモアレトリオンのダイナミクスとバレースピン分極の解明
  • URL: https://www.iae.kyoto-u.ac.jp/new-iae/NewsRelease/JP/2023/07/14-100000.html
• [Remarks] 原子層ヘテロ構造WSe2/MoSe2におけるモアレ励起子のバレー緩和の解明
  • URL: http://www.iae.kyoto-u.ac.jp/new-iae/NewsRelease/JP/2022/09/28-150000.html