理化学研究所

加藤ナノ量子フォトニクス研究室

研究内容

当研究室では、ナノ光デバイスの動作にかかわる物理的理解や量子状態制御手法の開拓、また、新しい原理に基づく光デバイスの動作実証に取り組み、光量子デバイスを組み込んだ光集積回路による量子情報通信技術への展望を開くことを目指しています。現在は主に単一のカーボンナノチューブの光物性やデバイスの研究に取り組んでいます。

単層カーボンナノチューブ入門

単層カーボンナノチューブとは文字通り炭素一層からなる直径数ナノメートルのチューブです。炭素原子を6角形に並べて蜂の巣のようになっている膜をグラフェンと言いますが、それをくるりと巻いて筒にした構造を持っています。この材料の面白いところは、その巻き方によって金属になったり半導体になったりするところです。

カーボンナノチューブのように、直径は数ナノメートルなのに長さはミリメートルにもなって、電極を付けたりトランジスターに加工できる材料はなかなかありません。電子回路でなじみのあるマイクロメートルの世界から、ナノメートルの世界への架け橋となってくれるのです。

カーボンナノチューブの光物性

半導体型のカーボンナノチューブは、半導体の中でも直接半導体という光と相性のいい部類に属します。身の回りにあるものでは、LEDや光ダイオード、レーザーダイオードといった素子が、携帯電話のディスプレーや光学マウス、テレビやエアコンのリモコンとセンサーなど、光を使う電子機器の中で直接半導体は大活躍しています。

しかし、ナノチューブのような一次元材料では励起子の束縛エネルギーがとてつもなく大きかったり、巻き方によって性質が変わったりするなど、よくわからないことがいろいろあります。そこで、単一のカーボンナノチューブの光物性を理解するための基礎研究を行っています。

カーボンナノチューブ・オプトエレクトロニクス

一本のナノチューブを使って光を出したり検出したりすることができれば、波長の1000分の1の長さのスケールで光を操ることができるようになったり、一つ一つの光子を発生させたり、また、その光子の量子力学的な情報を読み取ったりすることができるようになるかもしれません。

そんな遙かな目標を抱きつつ、それに向けた第一歩として、単一のカーボンナノチューブに電界を作用させて発光させるという研究や、従来の素子とは全く異なる原理の発光素子を実現させることを目指した研究を行っています。はたして、カーボンナノチューブはナノの世界に光を照らすことができるのでしょうか?

カーボンナノチューブ・フォトニクス

電子回路と光回路の融合を目指して研究が進められているシリコンフォトニクスの発展は目を見張るものがあります。シリコン基板上に導波路はもちろん、リング共振器やマイクロディスク共振器、そしてフォトニック結晶など多種多様な光構造が実現されており、集積回路中で光配線が利用される日も遠くないと考えられています。

カーボンナノチューブの応用上の強みのひとつは、シリコン基板上で合成可能なことです。高性能なシリコンフォトニクスとカーボンナノチューブを組み合わせれば、非古典光をチップ上で制御する量子集積光回路という夢の技術も視野に入ってくるかもしれません。

微細加工により光構造を作製する技術とカーボンナノチューブを合成する技術、そして単一のナノチューブの発光を検出・分光する技術、これら全てを持ち合わせているグループは世界でも私たちだけです。ナノレーザーや集積可能な非古典光源を目指して研究に取り組んでいます。

カーボンナノチューブ・スピントロニクス

電子は一つ一つが小さな磁石として振舞いますが、電子にこの性質を与えるのが量子力学的な角運動量であるスピンです。このスピンを利用したエレクトロニクスのことを、スピントロニクスといいます。スピントロニクスデバイスは、ハードディスクの読み出しヘッドにも使われていて、不揮発記憶素子や書き換え可能な論理回路への応用が見込まれています。

一方、量子力学的なレベルでは、電子スピンは磁場中でエネルギー準位が二つに分裂します。この二つの準位で0と1を表し、量子ビットとして利用することが考えられます。カーボンナノチューブの特性を利用して単一の電子スピンを制御できれば、量子情報素子が実現できるかもしれません。

ところが、カーボンナノチューブにおける電子スピン物性はほとんど知られていません。そこで、単一のカーボンナノチューブにおける電子スピンを光検出するという研究や、電子スピンを制御することを目指して研究を行っています。