モアレ超構造における協力的量子光学現象の開拓

• 研究課題/領域番号: 21H01012
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分13020:半導体、光物性および原子物理関連
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 篠北 啓介 京都大学, エネルギー理工学研究所, 助教 (60806446)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円); 2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2022年度: 11,700千円 (直接経費: 9,000千円、間接経費: 2,700千円); 2021年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
• キーワード: 光物性 / 半導体物性 / ナノ材料

研究開始時の研究の概要

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。

研究成果の概要

本研究では、二次元半導体のモアレ超構造における励起子の基礎光学特性の解明と、励起子間相互作用を利用した新たな光学現象の探索を行った。高品質なモアレ超構造の作製技術と多様な分光測定を駆使することで、モアレ励起子の光学応答、微細構造、ダイナミクス、量子コヒーレンスなど、これまで未知であった基礎光学特性を明らかにした。特に、モアレ励起子の精密な自在配列と、それによる励起子間相互作用の増大を実現し、新たな量子光学現象の観測に成功した。これらの成果は、モアレ超構造における励起子物理の理解を大きく深化させ、二次元半導体における新たな光科学の開拓に寄与するものである。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は、モアレ超構造における励起子物理の理解を大きく深化させ、二次元半導体における新たな光科学の開拓に貢献するものである。モアレ励起子の長いコヒーレンス時間や励起子間相互作用を利用した量子多体現象は、量子情報処理や新たな光デバイスへの応用が期待される。また、モアレ超構造における励起子の電荷制御は、高効率な光電変換デバイスの実現に繋がる可能性がある。本研究で得られた知見は、基礎物理の発展だけでなく、将来の量子技術や光エレクトロニクスの発展に大きく寄与すると期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Symmetry Engineering in Twisted Bilayer WTe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Nano Lett. 巻: 23 号: 20 ページ: 9280-9280
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c02327
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamics of Moire Exciton in a Twisted MoSe2/WSe2 Heterobilayer (2023)
  • 著者名/発表者名: Kim Heejun、Aino Kumpei、Shinokita Keisuke、Zhang Wenjin、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Matsuda Kazunari
  • 雑誌名: Advanced Optical Materials 巻: 11 号: 14 ページ: 2300146-2300146
  • DOI: 10.1002/adom.202300146
  • 査読あり
• [雑誌論文] Shift‐Current Photovoltaics Based on a Non‐Centrosymmetric Phase in In‐Plane Ferroelectric SnS (2023)
  • 著者名/発表者名: Chang Yih‐Ren、Nanae Ryo、Kitamura Satsuki、Nishimura Tomonori、Wang Haonan、Xiang Yubei、Shinokita Keisuke、Matsuda Kazunari、Taniguchi Takashi、Watanabe Kenji、Nagashio Kosuke
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 35 号: 29 ページ: 2301172-2301172
  • DOI: 10.1002/adma.202301172
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dynamics of Moire Trion and Its Valley Polarization in a Microfabricated WSe2/MoSe2 Heterobilayer (2023)
  • 著者名/発表者名: Kim Heejun、Dong Duanfei、Okamura Yuki、Shinokita Keisuke、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Matsuda Kazunari
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 17 号: 14 ページ: 13715-13723
  • DOI: 10.1021/acsnano.3c02952
  • 査読あり
• [雑誌論文] Valley Relaxation of the Moir? Excitons in a WSe2/MoSe2 Heterobilayer (2022)
  • 著者名/発表者名: Shinokita Keisuke、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Matsuda Kazunari
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 16 号: 10 ページ: 16862-16868
  • DOI: 10.1021/acsnano.2c06813
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Continuous Color‐Tunable Light‐Emitting Devices Based on Compositionally Graded Monolayer Transition Metal Dichalcogenide Alloys (2022)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: 34 号: 44 ページ: 2203250-2203250
  • DOI: 10.1002/adma.202203250
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Magnon‐Coupled Intralayer Moire Trion in Monolayer Semiconductor-Antiferromagnet Heterostructures (2022)
  • 著者名/発表者名: Zhang Yan、Kim Heejun、Zhang Wenjin、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Gao Yanlin、Maruyama Mina、Okada Susumu、Shinokita Keisuke、Matsuda Kazunari
  • 雑誌名: Advanced Materials 巻: - 号: 18 ページ: 2200301-2200301
  • DOI: 10.1002/adma.202200301
  • 査読あり
• [雑誌論文] Resonant Coupling of a Moire Exciton to a Phonon in a WSe2/MoSe2 Heterobilayer (2021)
  • 著者名/発表者名: Shinokita Keisuke、Miyauchi Yuhei、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Matsuda Kazunari
  • 雑誌名: Nano Letters 巻: 21 号: 14 ページ: 5938-5944
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c00733
  • 査読あり
• [学会発表] Efficient robotic fabrication of large area monolayer semiconductors (2024)
  • 著者名/発表者名: Wataru Idehara, Fan Yang, Keisuke Shinokita, Kazunari Matsuda
  • 学会等名: 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
• [学会発表] Strain-influenced optical properties of moire excitonic states in MoSe2/WSe2 van der Waals heterostructures (2024)
  • 著者名/発表者名: Yanlin Wang, Keisuke Shinokita, Kazunari Matsuda
  • 学会等名: 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
• [学会発表] Dynamic of defect-localized excitons in monolayer WSe2 under in-plane magnetic field (2024)
  • 著者名/発表者名: Yubei Xiang, Keisuke Shinokita, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • 学会等名: 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
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 呉 柊斗, 篠北 啓介, 杉本 泰, 藤井 稔, 松田 一成
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 朝田 秀一 , 篠北 啓介 , 松田 一成
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 出原 渉 , 篠北 啓介 , 松田 一成 , Yang Fan
  • 学会等名: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Valley polarized hybridized excitons in MoSe2/WS2 heterobilayers (2023)
  • 著者名/発表者名: Sho Shomura, Keisuke Shinokita, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • 学会等名: 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
• [学会発表] Dynamic of moire trion in mircrofabricated WSe2/MoSe2 heterobilayer (2023)
  • 著者名/発表者名: Heejun Kim, Duanfei Dong, Yuki Okamura, Keisuke Shinokita, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • 学会等名: 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
• [学会発表] Strain Modulation to Moire Superlattices in Two-Dimensional Material van der Waals Heterostructures (2023)
  • 著者名/発表者名: Hao Ou, Koshi Oi, Rei Usami, Takahiko Endo, Keisuke Shinokita, Kazunari Matsuda, Yasumitsu Miyata, Jiang Pu, Taishi Takenobu
  • 学会等名: 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
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 2023年第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 平林 弘暉、篠北 啓介、渡邊 賢司、谷口 尚、松田 一成
  • 学会等名: 2023年第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 篠北啓介，渡邊賢司，谷口尚，松田一成
  • 学会等名: 日本物理学会2023年秋季大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 篠北啓介
  • 学会等名: 2023年第84回応用物理学会秋季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] Moire excitonic states in a twisted WSe2/MoSe2 heterobilayers (2023)
  • 著者名/発表者名: 篠北啓介
  • 学会等名: JSAP-OPTICA joint symposium
  • 招待講演
• [学会発表] Strain Modulation to Moire Superlattices in Transition Metal Dichalcogenide van der Waals Heterostructures (2023)
  • 著者名/発表者名: Hao Ou, Koshi Oi, Rei Usami, Takahiko Endo, Keisuke Shinokita, Kazunari Matsuda, Yasumitsu Miyata, Jiang Pu, Taishi Takenobu
  • 学会等名: 2023年第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Observation of quantum coherence of a single moire exciton in nano-fabricated twisted MoSe2/WSe2 heterobilayers (2023)
  • 著者名/発表者名: Wang Haonan, Heejun Kim, Duanfei Dong, Keisuke Shinokita, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • 学会等名: 2023年第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] Fabrication of artificially designed two-dimensional material and van der Waals heterostructure by fully dry transfer method (2023)
  • 著者名/発表者名: Daiki Murase, Keisuke Shinokita, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • 学会等名: 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
• [学会発表] Symmetry control of twisted bilayer WTe2 using van der Waals assembly (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 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
• [学会発表] Fabrication of highly strained monolayer light-emitting devices (2023)
  • 著者名/発表者名: Koshi Oi, Jiang Pu, Hao Ou, Rei Usami, Takahiko Endo, Yasumitsu Miyata, Keisuke Shinokita, Kazunari Matsuda, Taishi Takenobu
  • 学会等名: 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
• [学会発表] Continuous color-tunable light-emitting devices based on compositionally graded monolayer transition metal dichalcogenide alloys (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 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
• [学会発表] Observation of a single moire exciton in nano-fabricated twisted MoSe2/WSe2 heterobilayers (2023)
  • 著者名/発表者名: Haonan Wang, Heejun Kim, Keisuke Shinokita, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • 学会等名: 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
• [学会発表] Bayesian optimization for the mechanical exfoliation of monolayer WSe2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Kumpei Aino, Keisuke Shinokita, Kazunari Matsuda
  • 学会等名: 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
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 篠北啓介，渡邊賢司，谷口尚，松田一成
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] Negative circularly polarization of moire exciton luminescence in WSe2/MoSe2 heterobilayers (2022)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Shinokita, Kunpei Aino, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • 学会等名: 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
• [学会発表] Electrically tunable moir3 trions in twisted WSe2/MoSe2 heterobilayers (2022)
  • 著者名/発表者名: Duanfei Dong, Wenjin Zhang, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Keisuke Shinokita, Kazunari Matsuda
  • 学会等名: 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
• [学会発表] Spontaneous photocurrent of WSe2/CrPS4 hetero-interface with in-plane polarization and highly air-stability. (2022)
  • 著者名/発表者名: Shuichi Asada, Keisuke Shinokita, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • 学会等名: 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
• [学会発表] A small number of moire exciton photoluminescence in nanofabricated MoSe2/WSe2 heterobilayers (2022)
  • 著者名/発表者名: Yuki Okamura, Keisuke Shinokita, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • 学会等名: 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
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 篠北啓介，相野薫平，渡邊賢司，谷口尚，松田一成
  • 学会等名: 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
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 岡村 勇輝、篠北 啓介、渡邊 賢司、谷口 尚、松田 一成
  • 学会等名: 2022年第69回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] WSe2/MoSe2ヘテロ二層の発光スペクトルの強度依存性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 篠北啓介, 宮内雄平, 松田一成
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会
• [学会発表] Moire exciton-phonon resonance in a WSe2/MoSe2 heterobilayer (2021)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Shinokita, Yuhei Miyauchi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会 JSAP-OSA Joint Symposia
  • 国際学会
• [学会発表] Novel excitonic features of moire exciton in twisted van der Waals heterostructures (2021)
  • 著者名/発表者名: Keisuke Shinokita, Yuhei Miyauchi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Kazunari Matsuda
  • 学会等名: 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
• [学会発表] Dynamics of Moire Exciton in MoSe2-WSe2 Heterstrosucture (2021)
  • 著者名/発表者名: Heejun Kim、Keisuke Shinokita、Wenjin Zhang、Kenji Watanabe、Takashi Taniguchi、Kazunari Matsuda
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季学術講演会 JSAP-OSA Joint Symposia
  • 国際学会
• [備考] 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
• [備考] 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
• [備考] 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
• [備考] 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