近年、量子情報技術のさらなる発展と実用化へ向けての鍵となる、高性能な単一光子発生デバイスを実現する材料として、カーボンナノチューブが注目を集めています。カーボンナノチューブを用いた単一光子生成では二つのアプローチによって室温動作が実現されており、一つは拡散する励起子の高効率な励起子-励起子消滅を用いる方法、もう一つはドーピングなどによって励起子を局在化させる方法です。ドーピングを行う手法では、カイラリティ分離したナノチューブを利用でき、かつ任意の基板上に塗布することができるという利点があります。また、カーボンナノチューブはシリコンフォトニクス技術と相性が良いことが知られており、この技術と単一光子生成を組み合わせることにより、光子の取り出し効率の向上やシリコンチップ上での集積化が期待されます。

本研究では、ドーピングを施したカーボンナノチューブとシリコン基板上に作製した微小共振器を結合させ、発光効率の増強、及び単一光子生成特性の評価を行いました。 SOI基板上に作製した二次元フォトニック結晶微小共振器の上に、ジアゾニウム塩によるドーピングを施したカーボンナノチューブの分散液を塗布し、発光特性を評価しました。その結果、ドーピングにより局在化した励起子からの発光強度が50倍も増強されていることを確認し、また時間分解測定によってパーセル効果による発光レートの増強を確認しました。

このように共振器との結合によって大幅に増強された発光に対し、光子相関測定を実施することにより、単一光子が発生していることの証拠である光子アンチバンチングが観測され、高品質な単一光子生成が可能であることが確認されました。さらに、このデバイスから発生される単一光子の品質が励起パワーを上げてもほとんど劣化しないことを確認し、最高で1.7x10⁷ Hzもの高繰り返しレートでの単一光子生成を達成しました。これは、励起パルスの入射に対しおよそ22%もの効率で単一光子を放出していることに対応します。

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, X. He, N. F. Hartmann, H. Machiya, H. Htoon, S. K. Doorn, Y. K. Kato Enhanced single photon emission from carbon nanotube dopant states coupled to silicon microcavities Nano Lett. 18, 3873 (2018).