2015 Fiscal Year Annual Research Report
量子ドットーナノ共振器多重量子結合系における固体量子電気力学探究と新ナノ光源創成
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15H05700
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
荒川 泰彦 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (30134638)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岩本 敏 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (40359667)
清水 明 東京大学, 総合文化研究科, 教授 (10242033)
太田 泰友 東京大学, ナノ量子情報エレクトロニクス研究機構, 特任准教授 (90624528)
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| Project Period (FY) |
2015 – 2019
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| Keywords | 量子ドット / フォトニック結晶 / 共振器量子電気力学 / 半導体レーザ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究初年度として、この一年間は量子ドット・ナノ共振器形成技術の高度化を基軸に研究を進めるとともに、量子ドットCQEDの実験・理論および有限少数個量子ドットレーザを中心とする光源開発を推進してきた。その結果、これまでの研究において、下記3つの全ての研究領域で多くの重要成果をあげることができた。
1. 量子ドット・ナノ共振器形成基盤技術開発においては、共振器内量子ドットのナノ精度位置読み出し技術や2次元/3次元フォトニック結晶ナノ共振器の高Q値化技術の構築に成功している。特に、3次元フォトニック結晶技術では新規積層手法の開発に成功しており、今後のさらなる発展が見込まれる。さらには窒化物を含むナノワイヤ量子ドットの高品質成長技術の高度化や高輝度・高品質自己形成InAs/GaAs量子ドットの形成技術においても顕著な進展が見られた。
2. 固体量子電気力学探究においては、結合ナノ共振器-量子ドット系における自励振動現象について理論的に重要な知見を見出したほか、量子ドット-共振器系の発光における周波数フィルタ効果についても理論構築に成功した。また、単一・複数量子ドット-ナノ共振器結合系における極限物性および共振器量子電気力学(CQED)効果の発現について理論検討を進展させた。中でも、縮退共振器モードを活用した量子ドットスピン-軌道角運動量変換の可能性の理論実証に成功した。また、平衡/非平衡状態にある量子多体系の理論解析においても物理/応用の両面から検討を進めた。一方、実験的には、フォトニック結晶のCQED効果を活用した量子ドット動的核スピン偏極の制御にも成功している。
3. 極限量子ドット光源開発においては、有限少数個量子ドットレーザとして、ナノワイヤ量子ドットレーザ発振や無閾値発振の実現に成功した。これらは、量子ドット-ナノ共振器系形成技術を極限まで高度化した結果といえる。また、ナノワイヤ系・自己形成量子ドット系双方においてプラズモニック効果を活用したレーザ発振も実現している。また、カイラリティを制御した3次元フォトニック結晶におけるスピン偏極共振器モードの観測にも成功している。一方、窒化物を活用することで、室温単一光子光源技術をさらに発展させ、350K(77℃)での単一光子発生を実現した。加えて、窒化物微小共振器作製技術も洗練することで、室温での強結合状態の観測に至っている。
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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
研究初年度は、計画通り共振器内量子ドットのナノ精度位置読み出し技術の構築を達成するなど、今後の研究展開における基盤技術をスムーズに構築することに成功した。さらには、有限少数個量子ドットレーザとしてナノワイヤレーザ発振や無閾値発振の実現する他、上述したようにインパクトの高い成果を多くあげることができた。
一方、本研究に用いる量子ドット構造を形成する結晶成長装置の材料枯渇と一部の不具合が生じ、当装置のメンテナンスのために6ヶ月を要した。そのため、高品質化した量子ドットを用いてフォトニック結晶ナノ共振器との結合系を作製する実験を予定より約6ヶ月遅らせる必要がでた。ただ、既存基板等を用い、量子ドットCQED系の性能向上のための様々な基礎的検討については滞り無く進めることができた。その中で量子ドットCQEDの基礎実験も大幅な遅延なく進展させることができた。
以上の状況を勘案し、「②おおむね順調に進展している」の評価とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究はおおむね順調に進展しており、今後も計画に従って着実に研究を推進する。特にこの1-2年程度の研究期間を念頭に、下記の取り組みを中心に据えた研究推進方策をとることとする。
1. 量子ドット・ナノ共振器形成基盤技術開発においては、まず低密度量子ドット結晶成長技術の高度化に重点的に取り組む。この技術は本研究計画の心臓部であり、次年度(H28年度)の早い段階から重点的に人を配置するなどの方策により、技術開発の一層の加速を図る。実験方針としては、特に励起子の荷電状態制御に着目し、量子ドット形状およびバリア埋め込め等を最適化することで量子発光体としての品質向上を目指す。一方、ナノ共振器中の量子ドット位置読み取り技術を応用し、量子ドットの個数や配置などの制御を目指した技術開発も進める。加えて、フォトニック結晶ナノ共振器加工技術開発に関してもさらなる展開を図りより高いQ値の実現を目指す。これらの要素技術を高いレベルで組み合わせることで、量子ドットCQEDにおける性能指数の飛躍的向上に挑戦する。また、有限少数個量子ドットCQED系を自在に作製する基盤技術の確立を目指す。
2. 固体量子電気力学探究においては、まず単一量子ドットCQEDのさらなる実験的追求を進める。その強い光非線形性と付随する多光子相関状態の理解を徹底しかつ、固体CQEDとしての特徴を洗いだすことで、さらなる発展の基盤構築を目指す。また、ダイナミクス制御等により単一量子ドットCQEDにおける新たな量子状態制御手法の確立を図り、単一量子ドットCQEDの未踏領域に挑戦する。一方、多量結合系におけるCQEDを理論・実験両面から探求し、その学理構築に向けた研究を展開する。実験的には、多量結合系をプローブ・制御する光学的手法を構築し、その量子光物性を光子統計性や複合ダイナミクスといった観点から議論する。必要に応じて、博士研究員などの人員を補充することにより、これらの研究における加速度的な発展を目指す。
3. 極限量子ドット光源開発においては、有限少数個量子ドットレーザに関してより踏み込んだ研究を展開する。特に、その変調動作帯域や強度雑音といった特性についての実験的評価を検討するとともに、電流注入型デバイスの実現に向けた取り組みを進める。一方で、単一/有限小数個エミッタレーザの学理構築といった学問的課題にも取り組む。また、量子ドットCQEDを活用した極限量子光源実現に向けた発展的研究を進める。さらには、多重量子結合系CQEDの物理を深め創発的量子ドット光源の創成を目指す。また、スピン自由度を制御した光源や、超放射等の協力現象を利用した新ナノ光源に関する議論を進める。
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Research Products
(81 results)
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[Presentation] Ultralow g2(0) single-photon emission from 1.5 μm-quantum dot using cryogen-free refrigeration system2016
Author(s)
T. Miyazawa, K. Takemoto, Y. Nambu, S. Miki, T. Yamashita, H. Terai, M. Fujiwara, M. Sasaki, Y. Sakuma, M. Takatsu, T. Yamamoto, Y. Arakawa
Organizer
17th International Conference on Physics of Light-Matter Coupling in Nanostructures (PLMCN17)
Place of Presentation
Todaiji Temple Cultural Center, Nara, Japan
Year and Date
2016-03-28
Int'l Joint Research
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[Presentation] Advances in Nanowire Quantum Dots2015
Author(s)
Y. Arakawa, S. Iwamoto, M. Holmes Jun Tatebayashi, M. Arita, K. Choi, and J, Ho (Invited)
Organizer
International Nano Optoelectronics Workshop
Place of Presentation
Tokyo, Japan
Year and Date
2015-08-03
Int'l Joint Research / Invited
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