2016 Fiscal Year Annual Research Report
半導体三次元カイラルフォトニック結晶共振器による円偏光を介した単一スピン制御
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16H06085
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
高橋 駿 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 助教 (60731768)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 電子デバイス・機器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、三次元カイラルフォトニック結晶共振器を利用して、カイラル構造による円偏光制御と円偏光による固体中のスピン制御を融合することにより、円偏光を介して幾何学的な構造カイラリティの左巻き右巻きによって単一スピンの上向き下向きを制御することを目的としている。初年度であった当該年度では、数値計算によって三次元カイラルフォトニック結晶を用いた高Q値円偏光共振器の設計を行い、それに基づいて試料を作製することも目指した。
まず、カイラルフォトニック結晶の中央に平板を挟んだ面欠陥型共振器構造について、有限差分時間領域法による数値計算を行い、円偏光フォトニックバンドギャップ内に共振器モードが形成されることを見出した。得られた共振器Q値は6000程度であり、円偏光共振器の試作に向けては十分な値であると判断し、近赤外光を発する量子ドットを内部に埋め込んだカイラルフォトニック結晶共振器を作製した。この試料に対して極低温でフォトルミネッセンス測定を行ったところ、数値計算で予測された円偏光共振器モードの観測に成功した。これは、半導体を用いたカイラルフォトニック結晶において初めての結果となり、現在、論文準備中である。
一方、数値計算の途中で、当初の予想に反して、光のスピン制御につながるトポロジカルエッジ状態の存在が明らかになった。スピン制御を目的とした本研究の遂行上、このエッジ状態の本質を見極めることが不可欠であったため、当初計画を変更して、その理論構築を追加で実施した。この結果は、2件の国内学会での発表につながったほか、1件の国際学会での発表予定であり、論文も準備中である。
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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
当該年度では、数値計算によって三次元カイラルフォトニック結晶を用いた高Q値円偏光共振器の設計を行い、それに基づいて試料を作製することも目指した。
まず、カイラルフォトニック結晶の中央に平板を挟んだ面欠陥型共振器構造について、有限差分時間領域法による数値計算を行い、円偏光フォトニックバンドギャップ内に共振器モードが形成されることを見出した。得られた共振器Q値は6000程度であり、円偏光共振器の試作に向けては十分な値であると判断し、近赤外光を発する量子ドットを内部に埋め込んだカイラルフォトニック結晶共振器を作製した。この試料に対して極低温でフォトルミネッセンス測定を行ったところ、数値計算で予測された円偏光共振器モードの観測に成功した。これは、半導体を用いたカイラルフォトニック結晶において初めての結果となり、現在、論文準備中である。
一方、数値計算の途中で、当初の予想に反して明らかになった、トポロジカルエッジ状態の存在についても理論的に証明することに成功した。
このように当初の計画を変更したにもかかわらず、予定どおり数値計算による高Q値円偏光共振器の設計とその試料作製に成功したことから、おおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、当初の計画どおり、円偏光共振器の共振器Q値をさらに向上させることを目指すと同時に、高品質な低密度InAs自己形成量子ドットを円偏光共振器に導入し、低温顕微フォトルミネッセンス測定を行う。液体ヘリウム温度程度の低温における温度変化に対して、量子ドットを構成するInAs格子が敏感に膨張・収縮するため、量子ドットのエネルギー準位は大きく変化する。これを利用して、単一の量子ドット発光波長と円偏光共振器モードを合致させ、共振器量子電気力学におけるパーセル効果によって、発光強度や発光寿命が左回り/右回り円偏光で異なることを観測する。また、量子ドットの位置依存性についても調べる。
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