六⽅晶窒化ホウ素からの光⼦の射出⽅向を解明――室温動作可能な⾼効率単⼀光⼦源の実現に道 京大

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京都大学は2020年7月16日、特殊な偏光を持つレーザービームを用いて、六方晶窒化ホウ素(hBN)から発生した光子の射出方向を明らかにすることに成功したと発表した。今回の成果をもとに、hBNの⽅向を最適化し光ファイバと⼀体化させると、光ファイバーから光⼦が発⽣する室温動作可能な⾼効率単⼀光⼦源が実現するという。

超⾼速演算が可能な光量⼦コンピュータや、盗聴不可能な暗号通信である量⼦暗号通信などの実現には、光⼦を一つ一つ発⽣させる単⼀光⼦源の実現が重要だ。その材料として、窒素とホウ素が六⾓形の格⼦状に交互に規則正しく並んだ層状物質であるhBNが注⽬されている。

このhBNに⽋陥構造を導⼊すると、⽋陥中に作られる正と負の電荷のペア(電気双極⼦)から単⾊性に優れる光⼦が、室温で安定に発⽣する。そのためhBNは、室温で動作する⾼効率単⼀光⼦源への応⽤が期待されていた。しかし、これまで、hBNから発⽣する光⼦が、どの⽅向に射出されているかは明らかになっていなかった。

そこで研究者らは、特殊な偏光を持つレーザービームを⽤いて、hBNから発⽣した光⼦の射出⽅向を調べた。通常の直線偏光のレーザービームではビームの位置によらず偏光⽅向は⼀定だが、今回の研究ではビームの中⼼から放射状に偏光するビームと円周⽅向に偏光するビームを利用した。これらのビームを⽤いてhBNを励起すると、直線偏光の場合では一つの輝点となる蛍光イメージが、電気双極⼦の向きによって敏感に変化する。そのため、蛍光イメージのパターン解析によって、電気双極⼦の向きから光⼦の射出⽅向を明らかにできる。

実験では、それぞれの偏光ビームを、100倍の顕微鏡⽤対物レンズを使い、幅約200nm×⾼さ約20nmのhBN粒⼦に集光。そして、発⽣した光⼦を単⼀光⼦検出器で検出して発光イメージを測定し、理論結果と⽐較した。すると、測定したhBNナノフレーク中の電気双極⼦はビームが進む⽅向から83.5度、垂直な⾯内で163度傾いていることが分かった。また、いくつかのhBNナノフレークについても測定したところ、電気双極⼦が平均で約80度傾いていることも判明した。hBNナノフレークから発⽣した光⼦は、これらの推定された電気双極⼦の向きと直交する⽅向に射出されていると考えられる。

本⼿法を⽤いて、hBN中の向きを最適化し、光ファイバーと⼀体化させると、室温で動作する光ファイバーから効率良く光⼦が発⽣する単⼀光⼦源を実現できる。これにより、光量⼦コンピュータや量⼦暗号通信の研究の⾶躍的な発展が期待できる。また、分⼦やタンパク質など、細胞内の物質をhBNで標識し、本⼿法を⽤いて電気双極⼦の⽅向を観察すれば、それらの動きや位置、化学反応などを⻑期間にわたって可視化できる。それにより、 新しい⽣命現象の解明や、将来的には、創薬、再⽣医療、がんの超早期診断などへの貢献も見込まれる。

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