ナノ結晶とメタマテリアル共振器を組み合わせた革新的な極小単一光子放出器の創生
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21K18197
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 30:Applied physics and engineering and related fields
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
向井 剛輝 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (10361867)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2022: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2021: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000)
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| Keywords | 単一光子放出器 / 量子ドット / メタマテリアル / 微小光共振器 / 走査型プローブ顕微鏡リソグラフィ / 局所プラズモン / シリカコーティング / 集束イオンビーム加工 / 光共振器 / 走査型プローブ顕微リソグラフィ / ナノ精度の位置制御 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、ナノオーダーサイズの革新的な極小単一光子放出器を実現する。具体的には、走査型プローブ顕微鏡(SPM)リソグラフィの手法を用いてナノ結晶光子源を単一メタマテリアル共振器の最適位置に正確に設置し、量子光学における所謂弱結合状態を作る技術を開発する。単一光子に量子情報を載せて情報制御を行う技術においては、量子ビットを偏光、位相、スピンなどで制御するとともに、光子を必要なタイミングで必要な方向に向けて簡便かつ確実に生成できる性能が必要となる。本研究で取り組む素子は、ナノ結晶光子源の発光特性を、これら実用化のための要求を満たすように改善することができる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、光子発生源であるナノ結晶と単一メタマテリアル共振器を人工的な操作によって極めて高精度に位置制御して組み合わせ、ナノオーダーサイズの革新的な極小単一光子放出器を実現することを目的とする。この新しい構成を持つ極小な光量子素子はこれまでには無かったコンパクトな固体光量子回路の設計を可能とするものであり、光マイクロマシン、フォトニック結晶光導波路、シリコンフォトニクスなど他の既存技術との親和性も高いことから、同分野の新たな基盤技術になり得ると考えている。
３年計画の２年目に当たる今年度は、昨年度導入した単一光子測定のための光学実験系を用いて、精力的に実験を進めた。微小な光共振器作製のために、従来のSPM（操作型プローブ顕微鏡）描画と選択無電解めっきによって素子を製造する工程からFIB（集束イオンビーム）加工による製造工程に切り替え、本格的に運用した。その結果、従来と比べて格段に思い通りの構造が作製できるようになり、素子性能が向上した結果、偏光方向を制御できる極小光子放出器を実現し、その動作を実証することに成功した。更に、FIB加工で実現できる、光導波路不要で横方向へ指向性よく光放出できる、プレーナー量子回路向けの単一光子放出器の提案を行った。これらの成果についての学会発表を行った。
また、同時に進めているQD（量子ドット）光源の開発も順調に進めた。量子準位の状態を維持したまま見かけのQDサイズを位置制御に適したマイクロオーダーまで大きくするシリカコート技術の検討を進め、逆ミセルによるシリカの厚膜化の前に有機溶媒中で熱分解法によってQDの保護層をつけておくと、その後の厚膜化によってもQDの発光効率が比較的よく維持されることを見出した。更に、配位子交換によるQDの保護のための研究にも成果があった。これらの成果についても学会発表を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
４つのサブテーマを掲げて、提案した波長1.3ミクロンの単一光子放出器の実現に向けた研究を進めている。
「素子の試作と性能実証」では、コロイド型QDを光源として素子を作製し、素子からの発光を光ファイバーに結合した上で、パーセル効果の確認や、アンチバンチングの確認を行うことを目指している。昨年度導入したSSPDフォトンカウンターを用いて構築した工学系によって、素子の評価を開始した。期待通り、これまでより一桁高いSN比で測定ができることを確認し、順調に素子の光学測定を進めており、それが以下の成果に繋がっている。
「微小な光共振器作製技術」では、従来の選択無電解めっきとSPM描画技術の組み合わせに変えて、今年度よりFIB加工による作製に本格的に取り組んだ。その結果、非常に良好な素子が製造できるようになり、偏光方向を制御できる極小光子放出器を実現・実証することに成功した。更に、同様のFIB加工で製造できる、光導波路不要で横方向へ指向性よく光放出できる、プレーナー量子回路向けの単一光子放出器の提案を行った。これらの成果について、学会発表を行った。
「素子の再設計」では、SPM加工からFIB加工への製造方法の変更に伴って、素子サイズの見直しを進めた。従来に比べて大幅に素子を厚くすることが可能になったため、設計の自由度が増した結果が、前述の素子試作の成功に繋がった。
「QDの位置制御技術」では、位置制御に適した高性能なQDの作製のため、シリカコーティング技術の検討を進めた。その結果、有機溶媒中の熱分解法によって逆ミセルによるシリカの厚膜化の前にQDの保護層をつけておくことで、サイズが大きくかつ発光効率が比較的良いQDを得ることができた。更に、配位子交換によるQDの保護のための研究にも成果があった。これらの成果について、学会発表を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き４つのサブテーマを掲げて研究を進める。
「素子の試作と性能実証」では、引き続き、新たにSSPDフォトンカウンターを用いた光学実験系を使用して、再結合寿命、光放出の指向性、単一光子放出確率（アンチバンチング測定）などの各種物性値の取得を良好に実施するための、実験系のブラッシュアップを進める。
「微小な光共振器作製技術」では、FIB加工技術を駆使して、これまでに実現あるいは提案した素子の試作と改良を進める。構築した光学系を用いた評価とのフィードバックを繰り返すことによって、我々が提案しているナノオーダーサイズの革新的な極小単一光子放出器を実現し、できる限り高い性能を実証することを目指して、研究を進める。
「素子の再設計」では、前述の作製技術との間でフィードバックを行いつつ、最終局面では試作素子の性能をシミュレーションすることで、素子動作の実証に寄与することを目指す。
「QDの位置制御技術」では、これまで以上に単分散性と高い量子効率とを両立させたQDの実現を目指して、研究を進める。ナノホールに単一のシリカコートQDをトラップすることが本素子の最終的な構造であり、そのためにナノホールの作製技術についてもこれまでの技術のブラッシュアップを行う。
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Report
(3 results)
Research Products
(22 results)
