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物性・原理

固体中で光の情報を制御する新現象を発見 ~光デバイスの多機能化に期待~

 東京大学,国立研究開発法人 理化学研究所,及び大阪大学は2017年10月3日,東京大学大学院工学系研究科附属量子相エレクトロニクス研究センターの岩佐義宏教授(理化学研究所創発物性科学研究センター 創発デバイス研究チーム チームリーダー兼任)の研究グループが,大阪大学産業科学研究所の張奕勁研究員と共同で,新たな二次元物質として注目される二硫化モリブデン(MoS2)の単層を用いて,入射光の偏光情報を保った励起子を伝達し,選択的に空間分離することが可能な新現象(励起子ホール効果)を発見したと発表した.本研究は,独立行政法人 日本学術振興会 科学研究費補助金 特別推進研究,挑戦的研究(萌芽),研究活動スタート支援の支援を受けて実施され,英国科学雑誌Nature Materialsのオンライン版に掲載された(注).

 半導体に光を照射すると,光のエネルギーを吸収して価電子帯の電子が伝導帯の電子となり,価電子帯には正孔が発生する.負電荷の伝導電子と正電荷の正孔はクーロン力で引き合い,励起子と呼ばれる複合粒子となって半導体中を移動する.励起子の存在は,光の吸収スペクトルや発光スペクトルから確認されていたが,励起子そのものを電子のように情報担体として伝達・制御し,積極的に活用しようとする研究は極めて少なかった.また,固体中の様々な粒子の軌道を曲げて制御するホール効果と呼ばれる現象は広く研究されてきたが,励起子については全く報告がなかった.

 研究グループは,単層MoS2内の励起子が光の偏光情報を保持することに着目し,励起子が磁場を加えなくてもホール効果を示すことを発見した.単層(厚さ0.6nm)のMoS2はスコッチテープを用いて母結晶から剥離する劈開法で作成し,試料は液体Heを用いた真空冷却システムで30K(-243℃)に冷却して測定した.光照射して試料から発光する光の空間分布を偏光分解光電子分光マッピングで測定すると,光照射点から試料の層内を励起子が拡散していく様子が観測された.

 単層MoS2内の励起子には,右回り円偏光で生成されたK励起子と,左回り円偏光で生成されたK'励起子と,エネルギー的には等しいがバレー自由度と呼ばれる自由度が異なる励起子が混在している.そこで,2種類のバレー励起子の動きを,発光を偏光分離して追跡したところ,K励起子とK'励起子は軌道が逆方向に曲がって流れていることが観測された.この現象は外部磁場がなくとも,2種類のバレー励起子それぞれが逆符号の内部磁場を有しているために,それぞれ逆向きの自発的ホール効果を示したものと理解される.観測された現象は「励起子ホール効果」と呼ぶべき新現象であり,その存在が実験で初めて示された.

光で書き込まれた偏光情報(右回り:“0”,左回り:“1”)はバレー励起子(K:“0”,K':“1”)として2次元物質中を輸送されており,その情報の到達距離(バレー拡散長)は2µmを超えている.励起子ホール効果と組み合わせることで,物質中で光の情報を選択的に長距離輸送できる.現状では低温動作に留まっているが,今回の発見を契機として,光により入出力を行うバレーメモリーや偏光を用いた次世代光通信デバイスなど,励起子を用いた新たな光エレクトロニクスの実現に向けた研究が,今後広がっていくと期待される.

(注)Masaru Onga, Yijin Zhang, Toshiya Ideue, and Yoshihiro Iwasa,  "Exciton Hall effect in monolayer MoS2", Nature Materials (2017) doi:10.1038/nmat4996; Published online 02 October 2017