光子(フォトン)を任意のタイミングで一個ずつ発生させる単一光子源は、量子コンピュータや量子暗号通信といった研究では欠かすことのできない要素です。そのような将来の量子情報技術を発展・普及させるためには、単一光子の発生効率が高いだけでなく、室温で動作可能であること、及び通信波長帯の発光波長を持つことなどの条件を満たす実用的な単一光子源の開発が求められていますが、既存の材料でこれらの条件を同時に満たすことは困難でした。

そこで私たちは、架橋カーボンナノチューブにおいて励起子がとても長い拡散長を持つこと、また、それによって励起子-励起子消滅が非常に高い効率で起こることを利用し、カーボンナノチューブ中の励起子拡散を用いた室温・空気中における単一光子生成実験を行いました。

カーボンナノチューブにパルスレーザーを照射すると、一度に複数の励起子が生成され、その後それぞれの励起子は拡散によってナノチューブ中を動き回ります。このとき、レーザーのスポットサイズと比べ励起子の拡散長が同等以上の大きさを持つ場合は、高い確率で全ての励起子が互いに衝突することが期待され、それによって励起子-励起子消滅が繰り返し起こり最終的にたった一個の励起子だけが残ることになります。最後に残った励起子はそれ以上励起子-励起子消滅を起こさないので、光子を一個放出して消滅することができます。

このような挙動を、HBT(Hanbury-Brown Twiss)測定によって実証しました。これにより得られた自己相関関数から、時間差τ=0のピークが他のピークよりも小さくなる光子アンチバンチングが確認され、その強度比が0.5以下となることから単一光子が発生していることが確かめられました。

今回の実験では1280 nmから1510 nmの波長を持つ複数のカーボンナノチューブについて測定を行い、その全てで光子アンチバンチングが確認されたことから、通信波長帯において波長選択可能な室温単一光子発生が達成されました。さらに、これまでの単一光子発生素子は全て原子サイズから数nm程度の非常に小さな材料を用いているのに対し、本研究では数マイクロメートルもの長さを持つ材料を用いていることから、既存の微細加工技術と組み合わせることにより画期的な量子情報通信デバイスが実現できる可能性を秘めています。

本研究の詳細については、こちらの論文を参照してください。
A. Ishii, T. Uda, Y. K. Kato Room-temperature single photon emission from micron-long air-suspended carbon nanotubes Phys. Rev. Applied 8, 054039 (2017).