量子コンピューティングの未来を担うWSe2の双励起子とトリオン

レンセラー工科大学の研究チームは、光がどのように原子レベルで超薄膜半導体と相互作用するかについて研究を進め、励起子複合粒子、多重電子などの仮想粒子は、擬スピンである「バレースピン」と呼ばれる新たな量子自由度を有することを見出した。 「バレースピン」は電子のスピンに似ていて、将来の量子コンピューティングの有望な候補となることが期待されている。

 

この研究の結果は、太陽エネルギーキャプチャ、新しい原理のレーザー、量子センシングなどの電子および光電子デバイスにおける多岐にわたる応用で新デバイスにつながる可能性がある(Li et al., Nature Comm. 9: 3719, 2018)。

研究チームは、低次元量子物質とその量子効果に焦点を当てた。これは強い光-物質相互作用が新たな光科学と物質材料科学の共通のテーマであるためである。そのための材料候補には、グラフェン、二硫化タングステン(WSe2)などの遷移金属二硫化物(TMD)およびトポロジカル絶縁体が含まれる。

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Credit: Nature Comm.

 

TMDは、優れた光学特性および光電子特性を有する新しいカテゴリーの原子レベルの超薄膜半導体である。 2次元単原子層TMDの光励起は、伝統的なバルク半導体のように自由に移動する電子および正孔の代わりに、励起子と呼ばれる強く結合した電子−正孔対を生成する。これは、単層TMDにおける巨大な結合エネルギーによるものであり、これは従来の半導体よりも数桁大きい。結果として、励起子は室温で生き残ることができ、励起子デバイスの応用に使用することができる。

励起子の密度が増加するにつれて、より多くの電子と正孔が対になり、4粒子と5粒子の励起子錯体を形成する。多粒子励起子錯体の理解は、二次元における光物質相互作用の基本的な理解につながるだけでなく、多くの粒子励起錯体の「バレースピン」特性の解明につながる。しかし、最近のTMDの励起子と三重項の理解の進展にもかかわらず、双励起子結合エネルギーについての知見は得られていなかった。

 

この研究で、初めて4粒子複合体である双励起子状態と5粒子複合体である荷電した二重結合の性質も明らかにされた。研究チームは、光−物質相互作用を明らかにするために清浄な試料を作成する方法を開発し、ファンデルワールス相互作用を介して、グラフェン、窒化ホウ素(BN)、およびWSe2を含む複数の原子レベル超薄膜積み重ねることによってデバイス構造が作成された。

 

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Credit: Nature Comm.

 

なおグラフェンバレートロニクスデバイスについては解説を参考にされたい。

 

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