二次元（2D）ファンデルワールス層状材料は、ハイブリッドフォトニクスにおいてますます採用されている。二次元材料をフォトニック共振器と統合することで、光と物質の相互作用が強化され、より高度な制御と機能性が実現できる。ハイブリッド・デバイスへの従来のアプローチでは、プレハブ・ナノ共振器の上に二次元材料フレークを転写する。超薄型であるにもかかわらず、2D材料のフレークの転移によって共振器の誘電環境を変化させる可能性がある。興味深いことに、フレークの誘電環境への影響は通常無視されるか、小さな摂動と見なされ、ナノフォトニック共振器の設計をわずかに調整するだけで対処できると考えられている。ハイブリッドナノフォトニックデバイスにおける誘電環境エンジニアリングのための2D材料の可能性はまだほとんど未解明である。誘電環境の変化を損害とするのではなく、2D材料による変化を用いて、光物質相互作用を強化する代替手法に利用できる。

本研究では、フォトニック結晶（PhC）導波路の後加工において、適当な大きさの2D材料フレークで部分的に覆うことにより、高Q値ナノ共振器を形成する新しい方法を実証している。フレークの存在により、局所的な屈折率が増加し、導かれるモードの周波数が低下する。フレークがある領域とない領域での光場の周波数のミスマッチによって、ナノ共振器の形成をもたらす。我々は、シリコンPhC導波路上にhBN、WSe₂、MoTe₂フレークを用いたこのようなハイブリッドナノ共振器デバイスの作製に成功し、4.0×10⁵という高いQ値を得た。特筆すべきは、単層フレークでさえ、高Qナノ共振器形成を誘導するのに十分な局所屈折率変調を与えることができる。我々はまた、自己整合MoTe₂共振器デバイスにおける共振器PL増強の観測にも成功しており、共振器パーセル増強係数は約15であった。

本研究は2D材料を使って誘電環境エンジニアリングにより機能性ハイブリッドデバイスを作成する有用性が示された。このアプローチは多種多様な材料に適用可能であり、光と物質の相互作用を操作するためのより複雑な材料工学や光工学をさらに発展させる余地がある。我々の成果は、2D材料・ナノサイエンス、ハイブリッド・デバイス・アプリケーション、集積フォトニクスを含む数多くの分野に大きな影響を与えるだろう。

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。
Chee Fai Fong, Daiki Yamashita, Nan Fang, Shun Fujii, Yih-Ren Chang, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, and Yuichiro K. Kato Self-Aligned Hybrid Nanocavities Using Atomically Thin Materials ACS Photonics 11, 2247 (2024).