京大、複数の半導体量子ドットによる集団増強効果の観測に成功

京都大学(京大)は12月21日、半導体量子ドットを結合させた結合量子ドット膜において、量子ドット同士が協力し合うことで現れる集団増強効果を観測することに成功したと発表した。

同成果は、京大化学研究所の田原弘量助教(現・京大白眉センター特定准教授)、同・坂本雅典准教授、同・寺西利治教授、同・金光義彦教授らの研究チームによるもの。詳細は、米物理学会が刊行する物性物理学および物質物理学とその関連分野を扱う学術誌「Physical Review B」に掲載された。

大きさが数nmから十数nmの半導体結晶である半導体量子ドットは、サイズと組成を変えることで光吸収エネルギーや発光エネルギーを制御できることから、太陽電池や発光ダイオードレーザーなどへの適用に向けた研究開発が行われている。

これまでの研究では、発光効率や材料の安定性の観点から量子ドット自体の個々の性能を高める研究が中心であり、量子ドットを集めた集団としての性質については、よくわかっていなかったという。そこで研究チームは今回、集団の量子ドットを結合させた結合量子ドット膜に着目。量子ドットの結合によって、量子力学的な電子の波動関数を直接的に干渉させることができるため、集団としての新しい量子協力効果が現れると考察し、それを確かめることにしたとする。

具体的には、鉛と硫黄を化学合成させたPbS量子ドットを結合させた結合量子ドット膜を作製し、量子ドット間結合によって生まれる電子応答を計測したところ、結合量子ドットでは量子干渉の信号が増大することが確認されたという。

この増大傾向は、結合していない量子ドットでは現れない集団量子ドットの新しい集団増強効果であることが判明したほか、照射したレーザー周波数の定数倍の周波数を持った量子干渉信号が増大していること、つまり結合量子ドットの中で光の周波数を倍増して変換できることも確認されたという。

今回の新たな量子協力効果(量子干渉の集団増強効果)の発見について研究チームでは、化学と物理学の技術によって生み出された結合量子系であり、結合が生み出す量子効果の理解を深める基礎科学的に重要な結果だとするほか、集団増強効果を光電流で検出することに成功したことは、量子ドット間結合を利用した次世代量子デバイスとして高感度の量子センサや新たなエネルギー変換技術につながることも期待されるとしている。