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レーザーパルス光を半導体ナノ粒子に照射すると、ナノ粒子内部に作られた多数の電子と正孔がレーザー周波数の1倍・2倍・3倍の周波数を持つ特殊な状態(コヒーレント状態)を形成する(出所:京都大学)
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 京都大学は、直径5~6nmの半導体ナノ粒子にレーザーパルス光を照射することで、光を吸収したナノ粒子内部の多数の電子が、量子力学的な相互作用により特殊な状態を作り出していることを発見した、と発表した。

 光-多電子変換過程を解明する成果で、ナノ粒子の量子効果を利用した太陽電池や光検出器の高効率化につながると期待される。

 化学合成で作られるナノメートルサイズの微結晶である半導体ナノ粒子は、高い発光効率を示し、液晶ディスプレイの発光体などに使用されている。ナノ粒子が多彩な色を作り出すのは「量子閉じ込め効果」と呼ばれる量子力学的な現象で、電子を数ナノメートルの領域に閉じ込めることで生じる。量子閉じ込め効果を最大限に活かす研究として、光から電気エネルギーへの変換(光電変換)に利用する応用研究が世界的に進められている。

 半導体ナノ粒子にレーザーパルス光を照射すると「マルチエキシトン」と呼ばれる多数の電子と正孔(電子が抜けてできた空孔)が一体となった状態が作られる。しかし、ナノ粒子が光を吸収して多数の電子を生み出す過程は直接的に観測することが難しく、これまでその仕組は明らかになっていなかった。

 今回、ナノ粒子の超高速な量子力学的変化を測定する手法を開発し、ナノ粒子が光を吸収した直後の状態を観測することに成功した。照射する2本のパルス光の位相を制御することで、ナノ粒子内に作り出したマルチエキシトンの量子力学的な干渉効果を測定した。その結果、マルチエキシトンが生成された直後は、レーザー周波数に追従して振動する量子力学的な状態(コヒーレント状態)を作り出していることを観測した。

 さらに、マルチエキシトンを形成している電子と正孔の個数に応じて、レーザー周波数の1倍・2倍・3倍の周波数を持つ量子力学的な振動状態が生み出されることを発見した。これらの量子状態は、1つの光子から多数の電子を生み出す駆動力になるため、ナノ粒子を光吸収体として利用した太陽電池や光検出器の高効率化につながると期待される。

 今回の研究は、科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業CRESTの助成を受けた。研究成果は、米国物理学会誌「Physical Review Letters」オンライン版に12月11日掲載された。