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令和四年一月四日 国立大学法人京都工艺纤维大学 国立研究开发法人科学技术振兴机构( JST ) 实现牢固稳定的类似极化子的室温冷凝~有助于激光和太阳能电池的效率化、低功耗下的电子器件开发~ 1 .主讲人: 京都工艺纤维大学电气电子工学系教授山下兼一 京都工艺纤维大学电气电子工学系助教高桥骏 2 .发表要点: ◆以光和物质之间的混合量子状态而闻名的“类似极化子※1”是通过使用被称为全无机钙钛矿※2的材料，以全新的物理形态形成，显示出可以室温冷凝。 ◆可以更牢固稳定地形成混合状态，而且可以在室温下冷凝，在这一点上与以往使用无机半导体或有机半导体的技术不同，是新的发现。 ◆本发现能够成为激光和太阳能电池高效化的基础物理，也有助于低功耗下的量子器件开发的发展。 3 .发表概要: 京都工艺纤维大学电气电子工学系山下兼一教授、高桥骏助教等指出，作为光和物质之间的混合量子状态而闻名的类似极化子，通过使用被称为全无机钙钛矿的材料，会以新的形态形成。 以往使用无机半导体或有机半导体的技术存在着在高激励下类似极化子容易崩溃，或者难以发生能量凝聚的问题。 利用本研究的技术，可以更牢固稳定地形成类似极化子，而且可以在室温下冷凝，这一点是新的发现。 本发明对类似极化子的物性解析和控制技术的开拓做出了很大的贡献，有助于激光和太阳能电池的高效化和低功耗的量子器件开发的发展。 本研究成果于2022年1月2日(日本时间)刊登在“Light: Science & Applications”在线版上。 4 .发表内容: 研究背景 通过使用半导体材料制作光波封闭在光的波长尺寸狭窄的区域的微细结构的光微小谐振器，半导体中的电子状态(电子/空穴对)和封闭的光波(光子)的相互作用得到增强，生成具有光和物质混合性质的准粒子。 这是被称为极化子的类似准粒子，被期待成为激光光源的低阈值化和太阳能电池的高效率化的基础物理，而且其能量冷凝相(极化子冷凝相)也被期待成为下一代量子器件的量子介质。 以往的研究中为了形成这种类似极化子而使用了无机半导体和有机半导体。 但是，前者存在的问题是，只有极低温才能稳定地形成玻尿酸酯状态，后者存在玻尿酸酯冷凝相形成需要注入高能量等。 另外，作为高效率的新型太阳能电池材料，近年来备受瞩目的铅卤化物钙钛矿半导体以非常高的量子产率显示荧光，因此，关于其在LED和激光器中的应用可能性，目前也正在积极进行研究。 但是，关于其发光的物理机理还有很多没有被很好地理解的方面，从物性物理的观点来看，也作为有趣的研究对象备受关注。 研究内容 本研究表明，使用铅卤化物钙钛矿半导体，对于在室温且低能量注入下使极化子冷凝相显现极为有用。 其关键在于材料中形成的电子激发态的特殊性，在一种由全无机元素组成的铅卤化物钙钛矿半导体( CsPbBr3)中，发现光激发室温下生成的一对电子和空穴通过自旋相关配对。 该自旋相关电子/空穴对与封闭在谐振器中的光子之间强烈相互作用，形成类似极化子(参照附图)。 这样形成的类似极化子与正电荷和负电荷的库仑力引起的通常的电子/空穴对引起的类似极化子的情况相比，即使是10倍以上的高密度化也能够稳定地形成。 除此之外，该CsPbBr3中生成的电子/空穴对与有机半导体等相比，受到原子核的束缚较小，能够在物质内比较自由地运动。 这是导致宏观数量的玻色子陷入某一能量状态，出现协同作用的物理现象——玻色·爱因斯坦凝聚*3的重要因素之一。 山下教授等人实际上通过特殊的光学实验揭示了玻尿酸在CsPbBr3光微谐振器中的自旋相关电子空穴对中的表达。 今后的展开 本研究的成果表明，利用即使在室温下也稳定的类似极化子的LED、激光器、太阳能电池等光电子器件的开发有望取得较大进展。 今后，为了进一步应用于量子器件等，需要提高该室温玻色子的生成和传播以及冷凝状态的控制技术。 例如，期待通过谐振器玻利顿结构和拓扑光子结构*4组合的器件，向利用拓扑边缘状态*5的玻利顿能量传播等方面展开。 谢词 本研究是科学技术振兴机构( JST )战略性创造研究推进事业CREST“基于拓扑材料科学的具有创新功能的材料器件的创造”研究领域( No. JPMJCR20T4 )、日本学术振兴会( JSPS )科学研究费国际共同研究强化B(No.20KK0088 ) 5 .发表杂志: 杂志名称: light :科学与应用 论文标题:激励式状态与编译环境一体化 《混合式网络漫游/等离子体缓存》 作者: Shuki Enomoto，Tomoya Tagami，Yusuke Ueda，Yuta Moriyama，Kentaro Fujiwara，Shun Takahashi，and Kenichi Yamashita DOI编号: 10.1038/s41377-021-00701-8 摘要: https://www./articles/s 41377-021-00701-8 6 .用语解说: ※1 )类似极化子通过使用半导体材料制作光波封闭在光的波长尺寸狭窄的区域的微细结构的光微小谐振器，半导体中的电子状态(电子/空穴对)和封闭的光波(光子)的相互作用得到增强，生成具有光和物质混合性质的准粒子。 生成的准粒子状态被称为“类似极化子”，有望成为激光光源低阈值化和太阳能电池高效化的基础物理。 ※2 )全无机钙钛矿 在被称为钙钛矿型的具有立方晶系晶体结构的化合物中，由铅卤化物构成的化合物半导体作为下一代的光电子材料而广为人知。 其中，全部由无机元素组成的全无机钙钛矿作为显示优异的发光特性而备受瞩目。 ※3 )玻色·爱因斯坦凝聚 宏观数量的玻色粒子陷入某个转变温度以下且某个阈值密度以上的一种能量状态的现象。 该冷凝相是多个粒子作为一个波函数发生作用的宏观量子状态。 ※4 )拓扑光子结构 是指作为光学元件被引入的能够从拓扑(拓扑)上区别的周期结构和谐振器结构等。 融合具有不同拓扑的光子结构的新的光控制技术的开拓正在发展。 ※5 )拓扑边缘状态 可以从拓扑(拓扑)上区分的多个相之间的边界区域。 该边界区域各相的内部(本体)显示出不同的局部状态(边缘状态)，对外部的扰动很顽强。 7 .附图:
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