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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 http://katogroup.riken.jp/

加藤雄一郎 : 自己紹介 2 1977 1980 1983 1988 1992 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 ) 2000 2007 2016 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

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.) -2-1 0 1 2 1 2 3 4 5 j s 100 E Position (mm) 50 0-50 -100 University of California, Santa Barbara PhD Advisor: David Awschalom -150-40-20 0 20 40-40-20 0 20 40 Position (mm) Position (mm)

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 3 2 1 drain On substrate carbon nanotube Stanford University, Chemistry Department, Dai Group Si 3 N 4 Pt suspended 2 μm 0.6 0.8 1.0 1.2 Energy (ev) SiO 2

U-Tokyo: Lab startup 5 2007 2010 武田先端知スーパークリーンルーム http://nanotechnet.t.u-tokyo.ac.jp/ 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, 247402 (2010). Phys. Rev. X 4, 011005 (2014). Phys. Rev. B 91, 125427 (2015).

Carbon nanotube optoelectronics 6 0.5 μm Catalyst Contact to CNT Local gate 1 mm CNT Contact to gate Phys. Rev. B 84, 121409(R) (2011). Appl. Phys. Lett. 105, 161104 (2014). Phys. Rev. Lett. 112, 117401 (2014). Nature Commun. 6, 7335 (2015). Nano Lett. 16, 2278 (2016). Phys. Rev. B 93, 041402(R) (2016).

Carbon nanotube photonics 7 photonic crystal microdisk 1μm Photonic crystal nanobeam Appl. Phys. Lett. 101, 141124 (2012). Appl. Phys. Lett. 102, 161102 (2013). Nature Commun. 5, 5580 (2014). Phys. Rev. Applied 3, 014006 (2015).

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

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) 1.1 1.0 0.9 ナノチューブ探索の様子 PL (counts/s) 0 1000 2000 0.8 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Position (μm) 電子顕微鏡写真 反射像 蛍光像 109 1500 2 μm 1 μm 108 107 106 105 (arb. units) 1 μm 1000 500 0 (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 1.3 (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 0.8 0.9 1.0 1.1 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

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

室温 通信波長帯の単一光子発生 12 Signal (counts/hour) Binned signal 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 8 6 4 2 0 Ishii et al., Phys. Rev. Applied 8, 054039 (2017). ナノチューブ長さ = 2.58 μm 励起パワー = 0.015 μw 室温 g2(0) = 0.46-91 -78-65 -52-39 -26-13 0 13 26 39 52 65 78 91 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

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

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

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

おわりに 16 2018 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