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2023 年度 実績報告書

原子層人工ヘテロ構造におけるバレースピン量子光学の開拓と応用

研究課題

研究課題/領域番号 20H05664
研究機関京都大学

研究代表者

松田 一成  京都大学, エネルギー理工学研究所, 教授 (40311435)

研究分担者 小鍋 哲  法政大学, 生命科学部, 教授 (40535506)
北浦 良  名古屋大学, 理学研究科, 特任准教授 (50394903)
岡田 晋  筑波大学, 数理物質系, 教授 (70302388)
竹延 大志  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (70343035)
研究期間 (年度) 2020-08-31 – 2025-03-31
キーワード原子層物質 / 量子光学 / ヘテロ構造 / バレースピン
研究実績の概要

本研究では、原子層物質科学と量子光学の知見を合わせ新たなバレースピン量子光学を創出することにある。我々は、バレースピン自由度を一つの量子状態として見做し制御する新たな道筋を独自に見出しており、これと原子層人工ヘテロ構造からなる究極のゼロ次元量子構造により、バレースピン量子光学の学理を構築し、それを応用へと繋げ新しい研究の潮流を生み出すことを目的としている。当該年度の研究実績は以下の通りである。
[1] 原子層人工ヘテロ量子ドットおよびデバイス作製技術:本研究で提案する量子光デバイスの実現に向け、そのプラットフォームとなる原子層半導体人工ヘテロ構造作製の更なる高度化を進めた。特に、極限的にクリーンな界面が期待される高真空ヘテロ構造作製技術が可能となり、従来より迅速にヘテロ構造作製が可能となった。これと併せて、ロボット技術を併用した結晶機械剥離に加え、真空ヘテロ構造作製システムをグローブボックス中に組み込んだ、複合システムの構築を進めている。
[2] 原子層ヘテロ量子ドットの励起子状態と量子光学現象の開拓:先端分光技術と微細加工技術を駆使し、これまで技術的に困難であった原子層二次元半導体モアレ構造における、単一のモアレ励起子からの発光観測に成功しコヒーレンス時間を実時間計測することができている。さらにそれを発展させ、フォノン散乱などによりデコヒーレンスが生じる物理メカニズムを明らかにした。さらに、複数のモアレ励起子間の量子干渉を観測することに成功した。
[3] バレースピン量子デバイスの実現:バレースピン量子光学に向けた基盤技術として、バレースピン量子制御を行うことが可能な、デバイス構造の構築を進めた。グラフェン電極による電界制御によって、原子層二次元半導体のバレーコヒーレンス制御の実験を進めた。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本研究計画において、その成否のカギを握る極限的なクリーンな界面を有する原子層人工ヘテロ構造の実現に向け、それが作製技術の高度化とロボット技術の融合により可能になりつつある。また、先端分光技術の高度化と並行して進めた、原子層人工ヘテロ構造の微細加工技術の進展により、モアレポテンシャルに閉じ込められた単一のモアレ励起子のコヒーレンス測定に成功し、デコヒーレンスの物理メカニズムの理解、複数のモアレ励起子による量子干渉に成功するなど、学術的に大幅な進展が得られている。
これらの研究成果と併せて、様々な形で学術的にも発展しうるなどの研究進展を考慮し、当初の計画以上に進展していると判断した。

今後の研究の推進方策

現在、作製技術の高度化とロボット技術を融合した、グローブボックス中での人工ヘテロ構造作製システムの構築の最終段階を迎えており、引き続きそれを完遂すること、更にそれを最大限利活用することで研究進捗を大幅に加速する。これと併せて、モアレ励起子のバレーコヒーレンスや量子状態制御など、本研究の最終的な目標である新たな量子光学の構築に向けた研究を展開する予定である。

  • 研究成果

    (30件)

すべて 2024 2023

すべて 雑誌論文 (14件) (うち国際共著 1件、 査読あり 14件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 8件、 招待講演 11件) 図書 (5件)

  • [雑誌論文] Trans-dimensionality of electron/hole channels in multilayer in-plane heterostructures comprising graphene and hBN superlattice2024

    • 著者名/発表者名
      Zhang Hui、Gao Yanlin、Maruyama Mina、Okada Susumu
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 63 ページ: 015004~015004

    • DOI

      10.35848/1347-4065/ad1718

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Structural modulation of bilayer graphene under an external electric field and carrier doping2024

    • 著者名/発表者名
      Sultana Nadia、Gao Yanlin、Maruyama Mina、Okada Susumu
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 17 ページ: 035001~035001

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ad2ecc

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Anomalous thermal radiation due to the chiral magnetic effect in Weyl semimetals2024

    • 著者名/発表者名
      Konabe Satoru
    • 雑誌名

      Physical Review B

      巻: 109 ページ: 2200647

    • DOI

      10.1103/PhysRevB.109.085145

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Shift‐Current Photovoltaics Based on a Non‐Centrosymmetric Phase in In‐Plane Ferroelectric SnS2023

    • 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 ページ: 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 Heterobilayer2023

    • 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 ページ: 13715~13723

    • DOI

      10.1021/acsnano.3c02952

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Symmetry Engineering in Twisted Bilayer WTe22023

    • 著者名/発表者名
      Zhang Yijin、Kamiya Keisuke、Yamamoto Takato、Sakano Masato、Yang Xiaohan、Masubuchi Satoru、Okazaki Shota、Shinokita Keisuke、Chen Tongmin、Aso Kohei、Yamada-Takamura Yukiko、Oshima Yoshifumi、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Matsuda Kazunari、Sasagawa Takao、Ishizaka Kyoko、Machida Tomoki
    • 雑誌名

      Nano Letters

      巻: 23 ページ: 9280~9286

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.3c02327

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Dynamics of Moire Exciton in a Twisted MoSe2/WSe2 Heterobilayer2023

    • 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 ページ: 2300146

    • DOI

      10.1002/adom.202300146

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Electronic structure of graphene thin films under a perpendicular electric field2023

    • 著者名/発表者名
      Sultana Nadia、Maruyama Mina、Gao Yanlin、Okada Susumu
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 62 ページ: 075001~075001

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acde66

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Energetics and electronic structure of bilayer Janus WSSe2023

    • 著者名/発表者名
      Gao Yanlin、Okada Susumu
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 16 ページ: 075004~075004

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ace33d

    • 査読あり
  • [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 ページ: SC1026~SC1026

    • DOI

      10.35848/1347-4065/acaeb2

    • 査読あり
  • [雑誌論文] An observation of a photovoltaic effect in MoS2 nanoribbons fabricated with a top-down approach2023

    • 著者名/発表者名
      Zhang Shaochun、Xue Mengsong、Zeng Fanyu、Kitaura Ryo
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 16 ページ: 035003~035003

    • DOI

      10.35848/1882-0786/acbf9f

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Assessment of valley coherence in a high-quality monolayer molybdenum diselenide2023

    • 著者名/発表者名
      Urano Yuto、Xue Mengsong、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Kitaura Ryo
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 16 ページ: 065003~065003

    • DOI

      10.35848/1882-0786/acd985

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Localized Excitons in Zn-Porphyrin Covalently Functionalized MoS2 and WS22023

    • 著者名/発表者名
      Canton-Vitoria Ruben、Hotta Takato、Tanuma Yuri、Sideri Ioanna K.、Tagmatarchis Nikos、Ewels Chris、Kitaura Ryo
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry C

      巻: 127 ページ: 10699~10708

    • DOI

      10.1021/acs.jpcc.2c08009

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Gate-modulated reflectance spectroscopy for detecting excitonic states in two-dimensional semiconductors2023

    • 著者名/発表者名
      Xue Mengsong、Watanabe Kenji、Taniguchi Takashi、Kitaura Ryo
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 123 ページ: 063101

    • DOI

      10.1063/5.0159245

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 二次元半導体人工ヘテロ構造におけるモアレ光科学とその応用2024

    • 著者名/発表者名
      松田一成
    • 学会等名
      第71回応用物理学学術講演会春期大会
    • 招待講演
  • [学会発表] Quantum optics based on moire excitonic systems in artificial van der Waals semiconducting heterostructures2023

    • 著者名/発表者名
      Kazunari Matsuda
    • 学会等名
      13th A3 Symposium on Emerging Materials: Nanomaterials for Electronics, Energy, and Environment
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] ナノサイエンスによる二次元半導体の光科学とその進展2023

    • 著者名/発表者名
      松田一成
    • 学会等名
      光圧マニュピレーション研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] Recent progress on optical physics in two-dimensional materials and its hetero-structures2023

    • 著者名/発表者名
      Kazunari Matsuda
    • 学会等名
      The 13th A3 Symposium on Emerging Materials
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Optical science in nanocarbon and artificial atomically thin 2D materials2023

    • 著者名/発表者名
      Kazunari Matsuda
    • 学会等名
      Japan-US Network for Clean Energy Technologies Involving Oriented Nanotubes
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Functionalization of materials by strain and doping2023

    • 著者名/発表者名
      Taishi Takenobu
    • 学会等名
      Advanced Electronic and Optoelectronic Materials
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Strain engineering in atomically thin materials2023

    • 著者名/発表者名
      Taishi Takenobu
    • 学会等名
      MINI WORKSHOP ON FUNCTIONAL MATERIALS SCIENCE
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 15th Global Plasma Forum2023

    • 著者名/発表者名
      Taishi Takenobu
    • 学会等名
      Functional devices based on transition metal dichalcogenides and hexagonal boron nitride heterostructures
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Modulated Spectroscopy for Probing Excitonic States of 2D Systems2023

    • 著者名/発表者名
      Ryo Kitaura
    • 学会等名
      13th A3 symposium on emerging materials
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 二次元物質・ヘテロ構造の 構築と機能探索2023

    • 著者名/発表者名
      北浦良
    • 学会等名
      量子材料薄膜の結晶成長研究会
    • 招待講演
  • [学会発表] Heterostructures based on Two-dimensional Materials2023

    • 著者名/発表者名
      Ryo Kitaura
    • 学会等名
      65th KVS Summer Annual Conference and IFFFM 2023
    • 国際学会 / 招待講演
  • [図書] 応用物理学会誌2023

    • 著者名/発表者名
      松田一成、篠北啓介
    • 総ページ数
      49
    • 出版者
      応用物理学会
  • [図書] 固体物理2023

    • 著者名/発表者名
      越野幹人、松田一成、岩佐義宏
    • 総ページ数
      204
    • 出版者
      アグネ技術出版
  • [図書] 固体物理2023

    • 著者名/発表者名
      松田一成
    • 総ページ数
      204
    • 出版者
      アグネ技術出版
  • [図書] 遷移金属ダイカルコゲナイドの基礎と最新動向2023

    • 著者名/発表者名
      松田一成
    • 総ページ数
      326
    • 出版者
      シーエムシー出版
    • ISBN
      978-4-7813-1758-8
  • [図書] (株)エヌ・ティー・エス2023

    • 著者名/発表者名
      松田一成
    • 総ページ数
      992
    • 出版者
      光と物質の量子相互作用ハンドブック
    • ISBN
      978-4-86043-826-5

URL: 

公開日: 2024-12-25  

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