光ナノ共振器に埋め込んだ単一原子による自然放出光の制御と単一光子光源応用

単一光子光源は次代の量子情報処理技術に不可欠なデバイスである。本研究は半導体中に規則的に配置した単一原子を光ナノ共振器に閉じ込めることによって自然放出光を制御し、"識別できない量子粒子"として単一光子パルスを引き出すことを目的にしている。我々は独自のエピタキシャル結晶成長技術を駆使して、GaAs中に2次元規則配置した窒素原子の束縛励起子を作り出すのに成功した。この技術を利用すれば波長のそろった単一原子からの発光を、その中心位置を制御した単一光子光源デバイスを作ることができる。原子レベルで制御したエピタキシャル成長原子レベルで制御した活性原子状窒素をGaAs(001)表面に照射し、窒素原子を1原子層以下で2次元規則配列させるために以下のような結晶成長の最適化を実施した。●基板温度による窒素安定化面(3x3)の2次元窒素原子密度の制御を行い、その場成長観察によって窒素の優先取り込みサイトがIII族ダイマであることを突き止めた。●添加する窒素濃度を変えて発光スペクトルと添加濃度の関係を調べた結果、窒素ペア距離に依存した添加濃度依存性を見出した。またすべての発光中心はC2v対称性を有することが明らかになった。光応答特性評価と自然放出光の制御原子状窒素に束縛された励起子状態を詳細に調べ上げた結果、もつれ光子対生成の鍵を握る励起子微細構造の観測に始めて成功し、その偏光特性を明らかにした。また、磁場によって励起子微細構造の制御にも成功し、今後より精密な発光中心のデザインによってもつれた光子対の生成が可能であることがわかった。自発光ダイナミックスを計測して然放出寿命に関する知見を得た。

単一光子光源は次代の量子情報処理技術に不可欠なデバイスである。本研究は半導体中に規則的に配置した単一原子を光ナノ共振器に閉じ込めることによって自然放出光を制御し、"識別できない量子粒子"として単一光子パルスを引き出すことを目的にしている。我々は独自のエピタキシャル結晶成長技術を駆使して、GaAs中に2次元規則配置した窒素原子の束縛励起子を作り出すのに成功した。この技術を利用すれば波長のそろった単一原子からの発光を、その中心位置を制御した単一光子光源デバイスを作ることができる。原子レベルで制御したエピタキシャル成長原子レベルで制御した活性原子状窒素をGaAs(001)表面に照射し、窒素原子を1原子層以下で2次元規則配列させるために以下のような結晶成長の最適化を実施した。●基板温度による窒素安定化面(3x3)の2次元窒素原子密度の制御を行い、その場成長観察によって窒素の優先取り込みサイトがIII族ダイマであることを突き止めた。●添加する窒素濃度を変えて発光スペクトルと添加濃度の関係を調べた結果、窒素ペア距離に依存した添加濃度依存性を見出した。またすべての発光中心はC2v対称性を有することが明らかになった。光応答特性評価と自然放出光の制御原子状窒素に束縛された励起子状態を詳細に調べ上げた結果、もつれ光子対生成の鍵を握る励起子微細構造の観測に始めて成功し、その偏光特性を明らかにした。また、磁場によって励起子微細構造の制御にも成功し、今後より精密な発光中心のデザインによってもつれた光子対の生成が可能であることがわかった。自発光ダイナミックスを計測して然放出寿命に関する知見を得た。