研究紹介

半導体量子ドットを利用すると、電子のスピン情報と光のスピン情報である円偏光特性を相互に変換する、新しい光電情報変換システムを実現することができます。現在、室温で電子スピン情報を生成できる鉄(Fe)などの金属強磁性体を利用する、スピントロニクス（スピン状態を利用するエレクトロニクス技術）が盛んに研究されています。スピンはいわば磁石としての性質である向きの偏り（スピン偏極と呼びます）の情報を持ち、強磁性体中では安定に保たれています。すなわち、電力消費を必要としないメモリーなどの省エネルギー電子回路を実現できます。

一方、金属強磁性体では光デバイスが作製できないため、電子スピン情報を直接、円偏光に変換して光伝送することが可能なスピン偏極発光ダイオード（スピンLED）の開発に取り組んでいます。

我々は最近、海外グループとの共同研究により、室温では容易に失われる半導体中の電子スピン情報（スピン偏極）を、室温からさらには摂氏110℃にわたって効率的に増幅し復元することが可能な、新しい量子ドット材料を実現しました。また、このようなスピン増幅型の量子ドットを利用するスピンLEDも提案しています。

通常の非磁性半導体では、電子スピンの制御には数テスラ（T）という強力な外部磁場を印加する必要があります。そこで我々は、そのような磁場を全く必要とせずに、エレクトロニクスの基本技術である電界操作により、電子のスピン偏極を超高速で制御する研究に取り組んでいます。この研究は、ギガヘルツ（GHz）の周波数領域で動作する集積可能な偏光変調素子の開発にもつながります。

電子に対する量子閉じ込めの次元性が異なるナノ構造をトンネル効果により量子力学的に結合させることで、それら単体では決して得られない革新的な機能が発現します。我々は、0次元の量子ドットと2次元電子系である量子井戸から成る独自のハイブリッドナノ構造を提案し、新しい電子スピン物性や光機能性を研究しています。

半導体量子ドットは電子に対する強い閉じ込め効果を持つため、室温や高温になってもレーザ発振特性などの光学性能が維持され、将来の光デバイス材料として有望視されています。また、実際の実用化も始まっています。しかしながら、量子ドットのサイズは非常に小さいため、高い実用性能を得るためには高密度のドット配列構造が必須となります。他大学との共同研究により、バイオテクノロジー技術を応用して、サイズや形状をトップダウンで設計し、極限的な高密度の量子ドット光学活性層を作製しています。

北大理学研究院との共同研究により、新規に合成された錯体化合物の時間分解発光計測を行い、光励起により生じる電子状態を解明しています。このような研究により、化学環境や熱履歴などにより様々に変化する高輝度発光特性などを示す、新しい光機能分子材料を開拓していきます。