量子ドット超格子の特異な発光を室温で観測 — 東京科学大学

東京科学大学とベルギー・ルーヴェン・カトリック大学の国際共同研究チームは、new 新たなタイプの発光現象を、room temperature 室温で観測することに成功しました。ペロブスカイト量子ドットが自己組織化して形成する超格子が、複数の量子ドットからなるにもかかわらず、single 単一の発光体のように振る舞うという、従来では考えにくかった現象が確認されたのです。これにより、quantum technology 量子技術の応用に向けた材料開発が大きく前進する可能性があります。

研究では、CsPbBr3と呼ばれる金属ハライドペロブスカイトの量子ドットを用いて、サブ波長サイズの超格子を作製。室温での蛍光測定を通じて、発光強度が二つのレベル間で点滅する「collective blinking 集団的ブリンキング」と、複数の光子が束になって放出される「光子バンチング」が観測されました。特に光子バンチングの強度は最大で3.9に達し、evidence 証拠として、発光の背後にある非古典的なメカニズムが裏付けられました。

超解像イメージングによる解析から、発光が超格子全体ではなく、直径約30ナノメートルのlocalized 局所的な領域に集中していることが明らかになりました。これは、励起子が量子ドット間を移動し、特定の「発光サイト」に集まるためです。この空間的閉じ込めにより、励起子密度が上昇。その結果、interaction 相互作用によって「biexciton バイエキシトン」と呼ばれる束縛状態が形成され、カスケード的に光子が放出される仕組みだと解明されました。

従来、こうした集団的発光現象は極低温環境下でしか観測されておらず、実用化には大きなハードルがありました。今回の成果は、low-cost 低コストかつ小型の量子光源デバイス開発への道を開くもので、量子通信や量子センシングへの応用が期待されます。研究チームは今後、電気励起による発光や、光子のもつれの制御を目指すとしています。

本研究は「Nature Communications」に3月27日付で掲載。日本学術振興会の科研費などの支援を受けて行われました。室温で安定した量子発光が実現できる材料プラットフォームとして、perovskite ペロブスカイト量子ドット超格子の重要性が改めて強調されています。