ナノ光科学研究分野

エネルギー機能変換研究部門 ナノ光科学研究分野
教授:松田 一成 助教:篠北啓介
ナノサイエンスに立脚した光科学の学理追究とエネルギー応用を目的として、物性物理・物質科学・デバイス工学を基盤とした研究を進めています。

ナノサイエンスによる新しい光科学の開拓

我々は、「ナノサイエンスに立脚した新たな光科学の学理追究とエネルギー応用」を目的として、物性物理・物質科学・デバイス工学を基盤とし研究を進めている。従来の延長線上にはない「極限ナノ物質」、「量子光物性」、「デバイス機能」などの要素を取り入れ、極限ナノ物質で発現する特異な量子光学現象とその背景にある物理の理解を通して、高効率・機能な太陽電池の実現など新しい光科学・エネルギー科学の地平を目指し、次のような研究を行っています。

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1)ナノ物質の光物性解明と光機能応用

ナノサイズの物質(ナノ物質)においては、顕著な量子効果によりマクロな物質では見られない特異な電子・光物性や機能が発現する。我々は、極限的なナノ物質であるカーボンナノチューブやグラフェン、原子層半導体などにおいて生じる光物性・機能などの光科学に着目し、それらの本質となる物理の解明と工学応用に関する研究を進めています。具体的には、原子層物質において各種の先端分光計測技術を駆使した量子光学現象の解明、異種の原子層物質を積み重ねてできる人工ナノ物質において誘起される創発物性の探索、さらには新たな光電変換技術を利用した太陽電池などのエネルギーデバイス実現につなげていくための学理の開拓を進めています。

ナノ物質における量子光学現象の物理とエネルギーデバイス応用

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(左)わずか原子数層の厚みからなる原子層物質において、特異に発現するバレースピン分極した光励起状態。ならびに、原子数層からなる原子層物質を積み重ねてできる人工ヘテロ構造における光励起状態と光学現象の模式図。(右)原子層物質やグラフェンなどのナノ物質の特徴を生かした太陽電池デバイス、有機無機ペロブスカイトの界面制御によるフレキシブル太陽電池デバイス、などの例。

2)原子層物質による新たなフォトニクスの開拓

炭素一層からなるグラフェンをはじめとする原子層物質は特異な量子状態を示すことから、従来の半導体では達成が困難な新規な機能性や応用が期待されている。近年、急速に研究が進展した原子層物質である単層の二次元遷移金属ダイカルコゲナイド(MX2; M=Mo, W, X=S, Se, Te)では、バレーとスピンが結合したバレースピンという新たな物理自由度(バレー擬スピン)が生じます。我々はこれまでの一連の研究を通して、バレースピンを一つの量子状態として見做して制御する新たな道筋を見出し、その量子状態制御を基礎とした「バレースピン量子光学」という新しい研究への視野を拓きました。これを契機とし、光科学と物質科学の接点にある「バレースピン量子光学」の学理を構築します。さらに、それを応用へと橋渡しした「バレースピン量子フォトニクス」という新しい研究へと昇華させることを目標としています。これに対して、フェムト秒レーザーを用いた超高速分光手法などを駆使したバレースピン自由度のコヒーレント量子制御、さらには、電界効果トランジスタなどのデバイスを用いた外部自由度によるバレースピン量子制御などの研究を推し進めています。

原子層物質とそのヘテロ構造におけるバレースピン量子光学の開拓

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(左)原子層人工ヘテロ構造の模式図とその中で生じるバレースピンの量子状態制御の概念図。(右)それらを実現するフェムト秒超高速分光の実験セットアップとデバイスを用いたバレースピン制御の模式図。

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