ナノ結晶とメタマテリアル共振器を組み合わせた革新的な極小単一光子放出器の創生

创建结合纳米晶体和超材料谐振器的创新超小型单光子发射器

基本信息

批准号：
21K18197
负责人：
向井剛輝
金额：
$ 16.64万
依托单位：
Yokohama National University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、光子発生源であるナノ結晶と単一メタマテリアル共振器を人工的な操作によって極めて高精度に位置制御して組み合わせ、ナノオーダーサイズの革新的な極小単一光子放出器を実現することを目的とする。この新しい構成を持つ極小な光量子素子はこれまでには無かったコンパクトな固体光量子回路の設計を可能とするものであり、光マイクロマシン、フォトニック結晶光導波路、シリコンフォトニクスなど他の既存技術との親和性も高いことから、同分野の新たな基盤技術になり得ると考えている。３年計画の２年目に当たる今年度は、昨年度導入した単一光子測定のための光学実験系を用いて、精力的に実験を進めた。微小な光共振器作製のために、従来のSPM（操作型プローブ顕微鏡）描画と選択無電解めっきによって素子を製造する工程からFIB（集束イオンビーム）加工による製造工程に切り替え、本格的に運用した。その結果、従来と比べて格段に思い通りの構造が作製できるようになり、素子性能が向上した結果、偏光方向を制御できる極小光子放出器を実現し、その動作を実証することに成功した。更に、FIB加工で実現できる、光導波路不要で横方向へ指向性よく光放出できる、プレーナー量子回路向けの単一光子放出器の提案を行った。これらの成果についての学会発表を行った。また、同時に進めているQD（量子ドット）光源の開発も順調に進めた。量子準位の状態を維持したまま見かけのQDサイズを位置制御に適したマイクロオーダーまで大きくするシリカコート技術の検討を進め、逆ミセルによるシリカの厚膜化の前に有機溶媒中で熱分解法によってQDの保護層をつけておくと、その後の厚膜化によってもQDの発光効率が比較的よく維持されることを見出した。更に、配位子交換によるQDの保護のための研究にも成果があった。これらの成果についても学会発表を行った。

在这项研究中，我们将把作为光子产生源的纳米晶体和通过人工操纵进行极高精度位置控制的单个超材料谐振器结合起来，以实现纳米级尺寸的创新超小型单光子发射器。到这种具有全新配置的超小型光子器件使得以前从未存在过的紧凑型固态光子电路的设计成为可能，并且由于其与光学微机械、光子晶体光波导和硅光子学等其他现有技术兼容。高功能性，我们相信它有潜力成为该领域新的基础技术。今年是三年计划的第二年，我们利用去年引进的单光子测量光学实验系统，大力开展实验。为了制造微观光学谐振器，我们从使用SPM（操纵探针显微镜）绘图和选择性化学镀的传统制造元件工艺转换为使用FIB（聚焦离子束）加工的制造工艺，并将其投入正式运行.结果，可以创建比以前更理想的结构，并且器件性能得到改善，该团队成功地创建了一种可以控制偏振方向的极小光子发射器并演示了其操作。此外，我们提出了一种用于平面量子电路的单光子发射器，它可以通过 FIB 处理实现，并且可以在不需要光波导的情况下以良好的方向性横向发射光。我们在一次学术会议上展示了这些结果。与此同时，QD（量子点）光源的研发也进展顺利。我们正在研究二氧化硅涂层技术，该技术将表观 QD 尺寸增大到适合位置控制的微米量级，同时保持量子能级状态，并且我们正在使用有机溶剂进行热分解方法，然后使用反胶束发现，如果在量子点上施加保护层，即使随后薄膜变厚，量子点的发光效率也能保持相对较好的状态。此外，通过配体交换保护量子点的研究也取得了成果。这些结果也在一次学术会议上公布。