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みいかたけすえ
4 years ago
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1 ナノ量子フォトニクス資料2-1 科学技術学術審議会研究計画評価分科会第10期ナノテクノロジー材料科学技術委員会第3回未来の量子通信技術に向けた光デバイスの研究理化学研究所開拓研究本部加藤ナノ量子フォトニクス研究室光量子工学研究センター量子オプトエレクトロニクス研究チーム加藤雄一郎 Nanoscale Quantum Photonics Laboratory, RIKEN Cluster for Pioneering Research Quantum Optoelectronics Research Team, RIKEN Center for Advanced Photonics Yuichiro Kato

2 加藤雄一郎 : 自己紹介東京生まれ White Plains, New York 神奈川県川崎市香港 Scarsdale, New York 慶應義塾湘南藤沢高等部日本 ( 合計 23 年 ) 米国 ( 合計 13 年 ) 香港 ( 合計 5 年半 ) 慶應義塾大学理工学部物理情報工学科 University of California, Santa Barbara Physics Department, M.A. (2003) Ph.D. (2005) Stanford University, Chemistry Department, Postdoc 東京大学工学系研究科総合研究機構准教授理化学研究所准主任現職 : 主任研究員

3 Observation of the spin Hall effect in semiconductors 3 Y. K. Kato et al., Science 306, 1910 (2004) AAAS Newcomb-Cleveland Prize 150 n s (a.u.) Reflectivity (a.u.) j s 100 E Position (mm) University of California, Santa Barbara PhD Advisor: David Awschalom Position (mm) Position (mm)

u) 5 source 0-5 trench 3 2 1 drain On substrate carbon nanotube Stanford

4 Thermal light emission from carbon nanotubes 4 Mann, Kato et al., Nature Nanotech. 2, 33 (2007). Distance (mm) Counts (a.u) 5 source 0-5 trench drain On substrate carbon nanotube Stanford University, Chemistry Department, Dai Group Si 3 N 4 Pt suspended 2 μm Energy (ev) SiO 2

5 U-Tokyo: Lab startup 武田先端知スーパークリーンルームナノテクネットナノプラットによる共同利用設備を活用 Optical properties of carbon nanotubes Phys. Rev. Lett. 104, (2010). Phys. Rev. X 4, (2014). Phys. Rev. B 91, (2015).

Contact to gate Phys. Rev. B 84, 121409(R) (2011).

Lett. 112, 117401 (2014). Nature Commun.

6 Carbon nanotube optoelectronics μm Catalyst Contact to CNT Local gate 1 mm CNT Contact to gate Phys. Rev. B 84, (R) (2011). Appl. Phys. Lett. 105, (2014). Phys. Rev. Lett. 112, (2014). Nature Commun. 6, 7335 (2015). Nano Lett. 16, 2278 (2016). Phys. Rev. B 93, (R) (2016).

7 Carbon nanotube photonics 7 photonic crystal microdisk 1μm Photonic crystal nanobeam Appl. Phys. Lett. 101, (2012). Appl. Phys. Lett. 102, (2013). Nature Commun. 5, 5580 (2014). Phys. Rev. Applied 3, (2015).

8 単層カーボンナノチューブの材料としての課題 8 C=na 1 +ma 2 a 2 a1 物性がカイラリティ ( 巻き方幾何構造 ) に依存するが通常の合成方法だと 30 種類以上が混在カイラリティ選択合成カイラリティ分離単一ナノチューブのカイラリティ同定

9 単一ナノチューブのフォトルミネッセンス分光測定 9 ナノチューブ触媒 Emission energy (ev) ナノチューブ探索の様子 PL (counts/s) Position (μm) 電子顕微鏡写真反射像蛍光像 μm 1 μm (arb. units) 1 μm (counts/s) フォトルミネッセンス ( 蛍光 ) 顕微分光により単一のナノチューブを測定することが可能

独自開発の全自動顕微分光装置 10 蛍光励起スペクトル Excitation energy (ev) 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.

10 独自開発の全自動顕微分光装置 10 蛍光励起スペクトル Excitation energy (ev) (11,4) (8,7) (14,1) (10,6) (13,3) (9,7) (12,5) (9,8) (15,2) (11,7) (14,4) (11,6) (13,2) (10,8) (13,6) (12,4) (10,9) (14,0) (12,8)(12,7) (14,3) (13,5)(15,1) (11,9) (8,6) (10,5) (11,3) (12,1) (9,4) Peak positions of 3736 nanotubes Emission energy (ev) 試料ステージ焦点調整レーザー波長レーザー出力レーザー偏光分光器チップ上の単一カーボンナノチューブの位置とカイラリティを自動でデータベース化 : カイラリティオンデマンド測定

11 カーボンナノチューブによるナノ量子フォトニクス 11 カイラリティが分かっていれば : 発光波長などの性質が予測可能同じ (n,m) を使って再現性も確認可能光物性やデバイス物理の理解が進むナノ世界の物理法則は量子力学 + 室温で発光通信波長帯シリコン上で合成可能量子デバイスが身近になる : 室温動作する単一光子源

12 室温通信波長帯の単一光子発生 12 Signal (counts/hour) Binned signal Ishii et al., Phys. Rev. Applied 8, (2017). ナノチューブ長さ = 2.58 μm 励起パワー = μw 室温 g2(0) = Time delay (ns) Binning width 10 pixels 通信波長帯波長 1518 nm 合成後未加工未処理の架橋カーボンナノチューブから単一光子発生を示す g (2) (0) <0.5 の光子アンチバンチングを室温にて観測

13 シリコン微小共振器上のドーピングしたナノチューブ 13 (MeO-Dz: 4-methoxybenzenediazonium) MeO-Dz A. Ishii et al., Nano Lett. 18, 3873 (2018). 光子相関測定結果 HiPco (6,5) in DOC ドロップキャスト (0) 光子検出レート (counts/s) 高純度高輝度のオンチップ室温通信波長帯単一光子源

14 今後の方向性 14 原子レベルで構造の分かっている物質との接合二次元材料単一分子グラフェン hbn 遷移金属ダイカルコゲナイド Nature 499, 419 (2013) 原子レベルで構造が定義されたデバイスへ室温での量子効果の利用へ

15 まとめ 15 微細加工は先端研究に必要不可欠な基盤技術若手 PI にとって共用クリーンルームは必須これまでのナノテクノロジーを超えたその先に次世代量子デバイスが見えてくる原子レベルの構造制御には材料科学の進歩が重要

16 おわりに年 IMF 報告書によると日本は英米独仏より財政が良いのだから研究教育を目的とした国債を発行して未来に投資してほしい基礎研究は何が当たるか分からない大当たりは千件中数件くらいなのだから選択と集中は減らし多様化と分散を重視して大規模に投資してほしいモノより人に投資してほしい博士課程大学院生には欧米並みに授業料 + 生活費の支援を研究員技術員が雇用できる予算を増やし研究費の審査では雇用による人材育成の観点を重視してほしい

Microsoft PowerPoint - 発表スライド-Web公開用01.pptx

Microsoft PowerPoint - 発表スライド-Web公開用01.pptx 単一光子光源に向けたカーボンナノチューブ光電子デバイス研究研究代表者 : 牧英之 ( 慶應義塾大学理工学部物理情報工学科専任講師 ) 発表者 : 森達也室野井有 ( 物理情報工学科牧研究室修士 1 年 ) Carbon nanotube SWNT One-dimensional material diameter: ~ 1nm (SWNTs) length: several m Electronic