モアレ超構造における協力的量子光学現象の開拓

莫尔超结构中协同量子光学现象的探索

基本信息

批准号：
21H01012
负责人：
篠北啓介
金额：
$ 10.98万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01012/
关键词：
光物性ナノ材料半導体物性

项目摘要

本研究では、モアレ超構造を利用して励起子を精密に自在配列し、その相互作用を高度に制御することで、協力現象を最大限に活用し、超蛍光現象や単一光子超蛍光現象の実現や、さらに単一光子と物質が相互に作用しあって生じる全く新しい巨視的な量子光学現象を探究し、それらを支配する普遍的な物理を明らかにすることを目的としている。モアレ超構造を利用してこれまでに実現されていない高配列・高密度な励起子集合体となる新たな量子システムを構築し、従来の光と物質の相互作用の枠組みを超えた新たな量子光学現象の発現を目指す。本研究を通して、単一光子レベルでの光と物質の相互作用の根源的な理解が深化され、基礎学術において大きなブレークスルーをもたらす可能性を秘めている。令和4年度は、WSe2/MoSe2原子層ヘテロ構造の発光ダイナミクスからモアレ励起子のスピン一重項や三重項の微細構造やバレー分極状態を明らかにした。さらに、WSe2/MoSe2原子層ヘテロ構造に加えて、超蛍光現象などの協力的量子光学現象を観測するためのプラットフォームとして、振動子強度の大きいMoSe2/WS2やWSe2/WSe2の原子層ヘテロ構造を作製し、層間励起子と層内励起子が混成したモアレ励起子の光学特性の解明を行なった。また、系統的な試料を安定して作製するため、ベイズ最適化の手法を用いた機械学習のアプローチから単層試料作成の最適化を行なった。今後は、作製したMoSe2/WS2やWSe2/WSe2原子層ヘテロ構造を用いて、超蛍光現象などの協力的量子光学現象の観測を目指す。強度が非線形に増大し放射レートが短くなることや、複数の発光ピークから一つの発光ピークだけの成長を様子を観測し、超蛍光現象を実証する。さらに、積層角度や温度などのパラメータを精密に制御しながら、高配列したモアレ励起子からの協力的量子光学現象の物理メカニズムを明らかにする。

在本研究中，我们利用莫尔超结构精确、自由地排列激子并高度控制它们的相互作用，从而最大限度地利用协同现象并产生超荧光和单光子超荧光现象。本研究的目的是探索全新的宏观量子光学。单光子和物质相互作用时发生的现象，并阐明控制它们的普遍物理学。通过利用莫尔超结构，我们将构建一个以前从未实现过的具有高度排列和致密的激子聚集体的新量子系统，并创建超越传统光与物质相互作用框架的新量子系统，旨在表达光学现象。通过这项研究，我们将加深对单光子水平上光与物质相互作用的基本认识，并有可能带来基础科学的重大突破。 2020财年，我们从WSe2/MoSe2原子层异质结构的发射动力学中阐明了莫尔激子的单重态和三重态自旋的精细结构以及谷偏振态。此外，除了WSe2/MoSe2原子层异质结构之外，我们还制备了具有高振荡强度的MoSe2/WS2和WSe2/WSe2原子层异质结构，作为观察超荧光现象等协同量子光学现象的平台。莫尔激子，是层间激子和层内激子的混合物。此外，为了稳定地制造系统样品，我们使用贝叶斯优化的机器学习方法优化了单层样品的制造。未来，我们的目标是使用制造的MoSe2/WS2和WSe2/WSe2原子层异质结构来观察协同量子光学现象，例如超荧光。我们通过观察强度的非线性增加和发射速率的缩短，以及从多个发射峰到单个发射峰的增长来证明超荧光现象。此外，通过精确控制堆叠角和温度等参数，我们将阐明高度排列的莫尔激子协同量子光学现象的物理机制。