モアレ超構造における協力的量子光学現象の開拓

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本研究では、モアレ超構造を利用して励起子を精密に自在配列し、その相互作用を高度に制御することで、協力現象を最大限に活用し、超蛍光現象や単一光子超蛍光現象の実現や、さらに単一光子と物質が相互に作用しあって生じる全く新しい巨視的な量子光学現象を探究し、それらを支配する普遍的な物理を明らかにすることを目的としている。モアレ超構造を利用してこれまでに実現されていない高配列・高密度な励起子集合体となる新たな量子システムを構築し、従来の光と物質の相互作用の枠組みを超えた新たな量子光学現象の発現を目指す。本研究を通して、単一光子レベルでの光と物質の相互作用の根源的な理解が深化され、基礎学術において大きなブレークスルーをもたらす可能性を秘めている。令和4年度は、WSe2/MoSe2原子層ヘテロ構造の発光ダイナミクスからモアレ励起子のスピン一重項や三重項の微細構造やバレー分極状態を明らかにした。さらに、WSe2/MoSe2原子層ヘテロ構造に加えて、超蛍光現象などの協力的量子光学現象を観測するためのプラットフォームとして、振動子強度の大きいMoSe2/WS2やWSe2/WSe2の原子層ヘテロ構造を作製し、層間励起子と層内励起子が混成したモアレ励起子の光学特性の解明を行なった。また、系統的な試料を安定して作製するため、ベイズ最適化の手法を用いた機械学習のアプローチから単層試料作成の最適化を行なった。今後は、作製したMoSe2/WS2やWSe2/WSe2原子層ヘテロ構造を用いて、超蛍光現象などの協力的量子光学現象の観測を目指す。強度が非線形に増大し放射レートが短くなることや、複数の発光ピークから一つの発光ピークだけの成長を様子を観測し、超蛍光現象を実証する。さらに、積層角度や温度などのパラメータを精密に制御しながら、高配列したモアレ励起子からの協力的量子光学現象の物理メカニズムを明らかにする。