バレースピン制御とデバイス応用：バレートロニクスに向けた課題と挑戦

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本研究では、バレートロニクスに向けて打破が必要な技術的な困難を克服する方策として、異なる単層MX2（M=Mo, W, X=S, Se)をファンデルワールス力で積層したヘテロ構造(MoSe2/WSe2, WS2/WSe2)での特異なバレースピン分極状態を利用する事を着想し研究を進めた。これまでの研究から、バレースピン励起子（電子-ホール対）の電子-ホール（クーロン）交換相互作用が、分極緩和を引き起こす事がわかっており、その知見を利活用する。特に、電子とホールが空間的に分離し弱束縛した、ヘテロ構造（MoSe2/WSe2）での層間バレースピン励起子（荷電励起子）がこのような目的には最適ではないかと考えた。具体的な実験項目と成果は以下の通りである。1）乾式転写法を用いた高品質ヘテロ構造（MoSe2/WSe2など）をベースに、新たにフォトリソグラフィなどを併用し、グラフェン電極を施した電界効果トランジスタデバイスを作製できた。これにより、ゲート電圧によるキャリア濃度変調で、層間バレースピン励起子と荷電励起子の両方を観測できた。2）このデバイスにおいて、円偏光励起によるバレースピン分極の選択生成と光検出を、簡便にかつ高精度に行うための実験セットアップを新たに構築した。これを用いて、ヘテロ構造（MoSe2/WSe2など）での円偏光分解の発光測定を行い、バレースピン分極に起因する円偏光発光を観測することに成功した。また、計画に先行してバレースピン分極のダイナミクスの実験を進めた。