2020年10月9日
ポイント
●室温で強い発光と80%もの高い光電スピン変換効率の両立に成功。
●半導体量子ドットを疑似量子ドットに埋め込むことで，室温におけるスピン情報の熱損失を低減。
●次世代レーザーに搭載可能なスピン情報の光伝送や光スピン配線システムへの応用に期待。
概要
北海道大学大学院情報科学研究院の樋浦諭志准教授，村山明宏教授，高山純一技術専門職員らの研究グループは，室温環境下で電子スピン情報を光の偏光情報に高効率に変換できる新しい半導体ナノ材料を開発しました（下図）。
数10ナノメートル以下の半導体単結晶である量子ドットは，電子と正孔を空間的に同じ場所に閉じ込めることで発光効率を高めることができるため，将来の超低消費電力光デバイス材料の本命として注目されています。一方，半導体の電子スピンと光の円偏光特性の間に角運動量保存に基づく光電スピン変換機能が存在します。量子ドットは三次元方向の量子閉じ込め効果により，光電変換中に電子のスピン状態を保持できるため，スピン情報を円偏光情報に変換するナノ材料として期待されています。しかし，実用上重要となる室温では高効率な光電スピン変換は実現できていませんでした。
今回，研究グループは量子ドットの両側に量子井戸層が設けられたdot-in-well構造に注目しました。そこで，疑似量子ドットが薄い量子井戸層に形成され，量子ドットに匹敵する強い量子効果を示すことを見出しました。この特異なナノ構造において，量子井戸層での高い発光効率によりスピン反転した電子の量子ドットへの再注入が抑制されるとともに，疑似量子ドットの形成によりスピン情報の熱損失が低減し，室温で約80%の光電スピン変換効率を達成しました。本研究成果は，電子スピン情報の光通信や光配線に向けた実用的な技術開発を加速させることが期待されます。
なお，本研究成果は，2020年10月8日（木）公開の米国物理学会専門誌Physical Review Applied誌にオンライン掲載されました。
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今回の研究で開発した新しい半導体ナノ材料
