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室温ポラリトンの低閾値コヒーレント形成とその量子機能の開拓

研究課題

研究課題/領域番号 22H00215
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分21:電気電子工学およびその関連分野
研究機関京都工芸繊維大学

研究代表者

山下 兼一  京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 教授 (00346115)

研究分担者 高橋 駿  京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 准教授 (60731768)
水野 斎  富山県立大学, 情報工学部, 准教授 (60734837)
竹延 大志  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (70343035)
稲田 雄飛  京都工芸繊維大学, 材料化学系, 助教 (90770941)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
43,680千円 (直接経費: 33,600千円、間接経費: 10,080千円)
2024年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)
2023年度: 10,400千円 (直接経費: 8,000千円、間接経費: 2,400千円)
2022年度: 26,910千円 (直接経費: 20,700千円、間接経費: 6,210千円)
キーワードポラリトン / 微小共振器 / 鉛ハライドペロブスカイト / 有機半導体 / 遷移金属カルコゲナイド
研究開始時の研究の概要

社会実装が進む量子デバイスシステムのさらなる普及拡大に向けては、低消費電力で駆動できるハードウェアの実現と、それを可能とする量子媒体の開発が求められる。中でも、光-物質混成状態であるポラリトンにおいては、特異な電子物性を示す新しい半導体材料を適用することにより、室温にて操作可能な量子媒体としての期待が高まっている。本申請研究では、この室温ポラリトンの量子技術としての実用性を高めるために、ポラリトン状態の長寿命化を達成し、ポラリトンコヒーレント凝縮相生成の劇的な低閾値化を実現する。さらに、室温ポラリトンによる量子ビット生成および量子ゲート動作を世界に先駆けて実証し、その量子機能の開拓を促進する。

研究実績の概要

量子デバイスシステムのさらなる普及拡大に向けては、低消費電力で駆動できるハードウェアの実現と、それを可能とする量子媒体の開発が求められる。光-物質混成状態であるポラリトンにおいては、特異な電子物性を示す新しい半導体材料を適用することにより、室温にて操作可能な量子媒体としての期待が高まっている。本研究では、この室温ポラリトンの量子技術としての実用性を高めるために、ポラリトン状態の長寿命化を達成し、ポラリトンコヒーレント凝縮相生成の劇的な低閾値化を実現する。さらに、室温ポラリトンによる量子ビット生成および量子ゲート動作を世界に先駆けて実証し、その量子機能の開拓を促進することを目的とする。
今年度の実績としては、室温ポラリトン材料としてこれまでに研究を進めてきたTPCO有機結晶において、その電子励起状態において分子振動とカップルしたコヒーレントな励起状態が生成されており、この巨視的な量子状態が室温ポラリトン凝縮現象とも深く関係していることを示唆する実験結果を得た。本成果は高IFの論文として外部発表した。また、全無機鉛ハライドペロブスカイトにおいては、直線偏光モード間における凝縮現象の異方性とモード間結合の発現を示唆する実験結果を得ており、現在論文査読中である。さらに、室温ポラリトン格子素子の新規作製手法としてUVナノインプリントリソグラフィー技術を適用し、実際に、2次元フォトニック構造の導入によるポラリトン分散モードのマニピュレーションを達成している。本成果は現在論文作成中である。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

ポラリトン凝縮閾値の低減に向けては、全無機鉛ハライドペロブスカイトにおける偏光モードの間での凝縮特性を明らかにできたことで、低閾値化に向けた重要な知見を得ている。また、主要実験設備として、波長可変ピコ秒レーザを予定通り導入し、効率的な光励起可能な光学測定系の構築が完了している。これらと並行して、研究分担者と協力し、超高Q値共振器構造の導入検討も進めている。室温ポラリトンの時空間ダイナミクスの調査に関しては、海外連携機関(ケンブリッジ大学など)と協議を重ね、次年度以降に実際に実験を行う準備を整えた。室温ポラリトン格子の作製に関しては、光ナノインプリント技術の有効性を示すとができており、鉛ハライドペロブスカイトなどへの展開や、トポロジカル構造の導入を実際に行う準備が整っている。

今後の研究の推進方策

まずは、室温ポラリトン凝縮相の量子技術応用の可能性を実証するために、直線偏光モード間での凝縮モードカップリング現象の論文発表に注力する。さらに、他の科研費種目とも関連させて、室温ポラリトンのダイナミクスに関する最先端の光学実験を2年目以降に加速する予定であり、実際に連携機関へ渡航して実験を進めている。ポラリトン格子デバイスによる量子技術の実証に関しては、全無機鉛ハライドペロブスカイト微小共振器への2次元フォトニック構造の導入に注力する。作製したデバイスに対し、波長可変ピコ秒レーザと空間光変調器を組み合わせた光エネルギー注入システムを適用し、室温での量子ゲート動作を実証に向けた実験研究を展開する。

報告書

(2件)
  • 2022 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (29件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 2件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (23件) (うち国際学会 4件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Vapor-Phase Indium Intercalation in van der Waals Nanofibers of Atomically Thin W6Te6 Wires2023

    • 著者名/発表者名
      Natsui Ryusuke、Shimizu Hiroshi、Nakanishi Yusuke、Liu Zheng、Shimamura Akito、Hung Nguyen Tuan、Lin Yung-Chang、Endo Takahiko、Pu Jiang、Kikuchi Iori、Takenobu Taishi、Okada Susumu、Suenaga Kazu、Saito Riichiro、Miyata Yasumitsu
    • 雑誌名

      ACS Nano

      巻: 17 号: 6 ページ: 5561-5569

    • DOI

      10.1021/acsnano.2c10997

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Ion-gel-based light-emitting devices using transition metal dichalcogenides and hexagonal boron nitride heterostructures2023

    • 著者名/発表者名
      Ou Hao、Oi Koshi、Usami Rei、Endo Takahiko、Miyata Yasumitsu、Pu Jiang、Takenobu Taishi
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 62 号: SC ページ: SC1026-SC1026

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acaeb2

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Morphological and functional characterizations of SnO<sub>2</sub> electron extraction layer on transparent conductive oxides in lead-halide perovskite solar cells2022

    • 著者名/発表者名
      Murota Ayane、Oka Kengo、Hayashi Ryotaro、Fujiwara Kentaro、Nishida Takushi、Kobayashi Kei、Numata Youhei、Yamashita Kenichi
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 120 号: 19 ページ: 191604-191604

    • DOI

      10.1063/5.0085559

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Optically Pumped Lasing Based on Vibrationally Dressed Exciton Polaritons in a Single-Crystal Molecular Cavity at Room Temperature2022

    • 著者名/発表者名
      Matsuo Takumi、Ueda Yusuke、Mizuno Hitoshi、Sasaki Fumio、Yamashita Kenichi、Yanagi Hisao
    • 雑誌名

      ACS Photonics

      巻: 9 号: 6 ページ: 2015-2023

    • DOI

      10.1021/acsphotonics.2c00123

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Broadband Optical Amplification of Waveguide Cut‐Off Mode in Polymer Waveguide Doped with Graphene Quantum Dots2022

    • 著者名/発表者名
      Nagafusa Tsukasa、Hara Yuya、Nishio Koji、Isshiki Toshiyuki、Yamashita Kenichi
    • 雑誌名

      Advanced Optical Materials

      巻: - 号: 15 ページ: 2200255-2200255

    • DOI

      10.1002/adom.202200255

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Continuous Color‐Tunable Light‐Emitting Devices Based on Compositionally Graded Monolayer Transition Metal Dichalcogenide Alloys2022

    • 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

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 3次元フォトニック結晶における高次トポロジカル状態の観測2022

    • 著者名/発表者名
      高橋駿、芦田侑也、山下兼一、上田哲也、若林克法 、岩本敏
    • 学会等名
      電子情報通信学会 LQE研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] UVオゾン処理によるSpiro-OMeTADホール輸送層の酸化反応促進2022

    • 著者名/発表者名
      林亮太朗、室田彩音、岡憲吾、山下兼一
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 3次元ウッドパイル型フォトニック結晶におけるヒンジ状態のマイクロ波領域での観測2022

    • 著者名/発表者名
      芦田侑也、山下兼一、上田哲也、若林克法、岩本敏、高橋駿
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ケルビンプローブ原子間力顕微鏡によるペロブスカイト太陽電池の光起電力測定2022

    • 著者名/発表者名
      沖野翔太郎、山下兼一、小林圭
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 2次元周期構造による有機ポラリトンモードの分散特性制御2022

    • 著者名/発表者名
      塩冶卓也、足立雄志、平尾司、高橋駿、山下兼一
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] シアノ基置換(チオフェン/フェニレン)コオリゴマーを含有するマイクロキャビティの作製とその光学特性2022

    • 著者名/発表者名
      門司悠佑、水野斎、甚上知美、山下兼一、佐々木史雄、柳久雄
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 有機単結晶共振器における分子振動をまとった励起子ポラリトン形成に由来する光励起レーザ発振2022

    • 著者名/発表者名
      松尾匠、上田悠介、水野斎、佐々木史雄、山下兼一、柳久雄
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] CsPbBr3微小共振器の2次元波数空間におけるポラリトン凝縮特性2022

    • 著者名/発表者名
      犬飼剛也、森山裕太、上田悠介、平尾司、高橋駿、山下兼一
    • 学会等名
      第83回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 半導体薄膜内の量子ドットにおける量子閉じ込めシュタルク効果に関する考察2022

    • 著者名/発表者名
      五十野誠生、山下兼一、高橋駿
    • 学会等名
      第7回JSAPフォトニクスワークショップ
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 単純立方格子からなる3次元フォトニック結晶におけるマイクロ波高次トポロジカル状態のロバスト性の検証2022

    • 著者名/発表者名
      芦田侑也、木村陽、山下兼一、上田哲也、若林克法、岩本敏、高橋駿
    • 学会等名
      第7回JSAPフォトニクスワークショップ
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] トポロジーに基づいたマイクロ波伝送2022

    • 著者名/発表者名
      高橋駿、芦田侑也、山下兼一、上田哲也、若林克法、岩本敏
    • 学会等名
      令和4年電気関係学会関西連合大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] (チオフェン/フェニレン )コオリゴマー (TPCO)によるポラリトニクス2022

    • 著者名/発表者名
      山下兼一
    • 学会等名
      電子情報通信学会POC研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] CsPbBr3微小共振器におけるポラリトン凝縮相の偏光特性2022

    • 著者名/発表者名
      森山裕太、犬飼剛也、高橋駿、山下兼一
    • 学会等名
      第572回レーザー学会研究会「有機コヒーレントフォトニクス」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ハロゲン混晶ペロブスカイト結晶の作製と発光特性2022

    • 著者名/発表者名
      南谷大悟、森山裕太、犬飼剛也、高橋駿、山下兼一
    • 学会等名
      第572回レーザー学会研究会「有機コヒーレントフォトニクス」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] アンチソルベント法によるペロブスカイト薄膜の大面積スピンコート成膜2022

    • 著者名/発表者名
      岡憲吾、山下兼一
    • 学会等名
      第572回レーザー学会研究会「有機コヒーレントフォトニクス」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ナノインプリント法による有機ポラリトン格子の作製と分散特性評価2022

    • 著者名/発表者名
      足立雄志、塩冶卓也、高橋駿、山下兼一
    • 学会等名
      第572回レーザー学会研究会「有機コヒーレントフォトニクス」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 2次元波数空間におけるポラリトンモード分散の測定と可視化2022

    • 著者名/発表者名
      犬飼剛也、平尾司、高橋駿、山下兼一
    • 学会等名
      第572回レーザー学会研究会「有機コヒーレントフォトニクス」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 全無機鉛ハライドペロブスカイトにおける室温ポラリトン凝縮2022

    • 著者名/発表者名
      山下兼一
    • 学会等名
      第572回レーザー学会研究会「有機コヒーレントフォトニクス」
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 時間分解ケルビンプローブフォース顕微鏡によるペロブスカイト太陽電池の局所電気特性評価2022

    • 著者名/発表者名
      沖野翔太郎、岡憲吾、山下兼一、小林圭
    • 学会等名
      第70回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Polarization Characteristics of Polaritonic BCS in CsPbBr3 Microcavity2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Moriyama, Y. Ueda, T. Horao, T. Tagami, S. Takahashi, and K. Yamashita
    • 学会等名
      CLEO-PR 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Organic VCSEL Lattice Fabricated by Nanoimprint Lithography2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Adachi, T. Hirao, T. Enna, T. Inukai, S. Takahashi, and K. Yamashita
    • 学会等名
      CLEO-PR 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Fabrication of Lead-Halide Perovskite Film with Two-Dimensional Photonic Lattice2022

    • 著者名/発表者名
      J. Morishita, Y. Adachi, T. Enna, S. Takahashi, Y. Yamamoto, and K. Yamashita
    • 学会等名
      CLEO-PR 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Microwave Hinge State in a Three-Dimensional Photonic Crystal Composed of Simple Cubic Lattices2022

    • 著者名/発表者名
      Y. Ashida, K. Yamashita, T. Ueda, K. Wakabayashi, S. Iwamoto, and S. Takahashi
    • 学会等名
      CLEO-PR 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-06-24  

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