2018 Fiscal Year Annual Research Report
原子層物質におけるバレースピンフォトニクスの創生と応用
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16H06331
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
松田 一成 京都大学, エネルギー理工学研究所, 教授 (40311435)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小鍋 哲 法政大学, 生命科学部, 准教授 (40535506)
北浦 良 名古屋大学, 理学研究科, 准教授 (50394903)
岡田 晋 筑波大学, 数理物質系, 教授 (70302388)
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| Project Period (FY) |
2016-05-31 – 2021-03-31
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| Keywords | 原子層物質 / 遷移金属ダイカルコゲナイド / バレースピン / フォトニクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
1) 原子層電界界効果トランジスタ(FET)構造デバイスの作製：バレースピンの高度な制御に向け、原子層物質中でキャリア数の精密変調や電流検出の技術が必要であり、電界効果を利用したトランジスタ（FET）デバイス作製を継続して進めた。高品質なFETデバイス作製に向けてh-BN保護層の活用などにより、高品質な原子層FETデバイスの作製に成功し、以下の2）の実験のプラットフォームとした。
2）バレースピン緩和のメカニズムとその制御：バレースピンフォトニクスの実現に向け、可能な限り大きなバレースピン分極を生成し、それを維持することが求められる。これまでに、多体効果を取り入れた理論計算の結果と照らし合わせることで、原子層物質の励起子に関するバレースピン分極とその緩和の詳細な物理メカニズムを明らかにした。本年度は1）で作製したデバイス構造を利用し、キャリア制御することによってスクリーニングを通して交換相互作用を変調することで、バレースピン分極の外部制御に成功した。
3) 原子層ヘテロ構造によるバレースピン分極の制御：半導体原子層物質と強磁性体との組み合わせによる、新しいバレースピン機能を有するヘテロ接合の作製を試みた。このヘテロ構造での振る舞いを理解するために、原子層半導体の磁場によるバレースピン制御とそのメカニズムの詳細を調べた。これらの外部磁場による強磁性状態の制御を通して、半導体原子層やヘテロ構造のバレースピン分極の制御の研究を進めた。
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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
本研究では、バレーとスピン自由度が結合した物性を発現しうる原子層物質を舞台に、特異な量子光学現象の解明を通してバレースピンの本質を理解すること、さらに、その知見を最大限活用しバレースピン制御を目指した。本年度の研究において、「バレースピンフォトニクス」を実現するために必須となる、バレースピン分極の外部制御を実現した事は研究計画の一つの大きな柱であり、大きな進展であると言える。また順調に研究が進捗している状況を鑑み、当初の目標に向けて順調に研究が進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
[1] 原子層物質の作製技術の確立：研究の更なる進展には、高品質かつ大面積な原子層物質が必要不可欠となっており、原子層物質大面積化に注力する。また、精密な成長制御が可能なMBE法での成長最適化によって、新奇な原子層物質やヘテロ構造を作製する。
[2] 電気的バレースピン検出とそのコヒーレント制御：次の段階として、電気的なバレースピン分極検出とその制御が目標となる。そのためのデバイス作製技術の基盤は、前期で確立しておりそれを活用する。また、これらの研究をサポートするために研究分担者のグループを中心として、光学現象を直接扱える時間依存密度汎関数理論のシミュレーションや、多体効果を取り入れたトリオンバレースピン緩和の理論構築を進める。さらに、高精度で位相（時間）制御されたフェムト秒パルス対による量子干渉効果を利用した、バレースピン生成・検出を制御する研究の準備を進める。
[3] バレースピンフォトニクスデバイスの実現：バレースピンフォトニクスに向けた基盤技術として、バレースピン制御を利用しその情報を外部に出力するデバイスが必要となり、そのための技術を確立する。
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