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窒化ガリウムナノピラー中プラセオジム(Pr)の室温での発光強度増幅

真一郎 佐藤, 真斗 出来, Shuo Li, 浩崇 渡邉, 州吾 新田, 善央 本田, 智朗 西村, Andrew D. Greentree, Brant C. Gibson, 浩 天野, 武 大島, Shinichiro Sato, Takeshi Ohshima

Published Mar 14, 2020• 0 citations
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Abstract

窒化ガリウム半導体(GaN)中の孤立したランタノイドは、室温でも狭い線幅で高輝度の発光を示すことから、単一光子源への応用が期待できる。Prイオン注入したGaN上に様々なサイズのナノピラー構造を形成し、ピラー中Pr3+の3P0 → 3F2遷移に起因する652 nm付近の発光を室温で観察したところ、ピラー構造を持たないGaN中Pr3+よりも高い発光強度を得た。本講演では、励起光強度依存性や発光遷移寿命と併せてそのメカニズムについて議論する。

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窒化ガリウム半導体に高温イオン注入したプラセオジム(Pr)の発光観測

真一郎 佐藤, 真斗 出来, 徹 中村 +2 more

窒化ガリウム半導体(GaN)中の孤立したプラセオジム(Pr)は固体量子ビットや単一光子源への応用が期待できることから、単一Prからの単一光子発生の観測に向けた最適条件の探索を進めている。今回はイオン注入したPrの活性化率の向上を図るため、最高1200℃までの高温イオン注入を行ったので、その結果について報告する。また、高速熱処理による結晶性の回復や欠陥クラスターの形成について議論する。

•Mar 12, 2018•0 citations

窒化ガリウム中の単一希土類元素からの発光観測を目指したイオン注入法および熱処理条件の検討

真一郎 佐藤, 浩 岡田, 真斗 出来 +3 more

光子を1個ずつ任意のタイミングで発生させることのできる単一光子源は、量子情報通信や量子コンピューターといった量子エレクトロニクスの実現において不可欠な要素であり、実用化にあたっては、さらに、室温で電気的に（デバイス）駆動できることが重要となる。窒化ガリウム半導体(GaN)中の孤立した希土類元素では、4f殻内で電子の発光遷移が起こり、狭い線幅で高強度の発光を示すことから、デバイス駆動型単一光子源にとって望ましい性質を有しているといえる。しかし、GaN中の単一希土類元素からの発光を観測した例はこれまでになく、まずは単一光子源の実現のために必要となる条件を明らかにする必要がある。そこで今回は、GaN基板の選定、希土類イオン注入とその後の熱処理条件についての検討を行った。本研究はJSPS科研費JP16K17507の助成を受けたものである。

•Sep 8, 2017•0 citations

ポジトロニウムのボース・アインシュタイン凝縮 高密度化・冷却の現状と今後の方針

石田 明, 牧和真, R. W. Gladen +9 more

物質優勢宇宙の謎を解明するための反物質重力測定や 511 keV ガンマ線レーザーを実現することを目指し、電子とその反粒子（陽電子）の束縛系であるポジトロニウム (Ps) のボース・アインシュタイン凝縮の実現を試みている。これには①高密度陽電子発生、②高効率 Ps 生成、③Ps 高速冷却、の 3 つの要素技術開発が必要となる。このうち、②および③に関連する Ps 生成材には、(A) Ps 生成（Ps 生成率 50 %以上）、(B) Ps 濃縮+熱化冷却（50—100 nm 程度の細孔）、(C) Ps レーザー冷却（243 nm 紫外光透過率 80 %以上）の 3 つの機能が要求される。シリカ（二酸化ケイ素、SiO2）エアロゲルが候補材料の一つであり、これまでに、Ps 生成率や空孔中での Ps 寿命、Ps 熱化冷却効率などの評価を進め、シリカエアロゲル表面から真空中に放出した Ps のレーザー冷却に成功するなど、その有用性が示されてきた。一方、2P 状態に励起された Ps (2P-Ps) が空孔中で瞬時に消滅してガンマ線になる現象が、Ps-BEC 実現に必要な空孔中での Ps レーザー冷却を阻害するため、その原理解明が喫緊の課題となっている。本講演では、高密度 Ps 生成・冷却手法開発の最新の状況について概要を紹介し、今後の課題とその解決方針について議論する。

•Mar 18, 2024•0 citations

半導体中の孤立したErイオンを単一光子源とした量子フォトニックデバイスの研究

佐藤　真一郎

結晶中の孤立したエルビウム(Er)イオンは、室温でも安定した線幅の狭い光通信波長帯Cバンド（波長1.5μm）の発光を示し、長いスピンコヒーレンス時間を有することから、量子技術の構成要素である単一光子源や量子メモリとなりうる有望なスピン量子ビットである。本研究では、窒化物（GaN等）半導体中でErが安定構造を取りうることに着目し、単一のErイオンをGaN薄膜上に形成した光ナノ共振器と結合させることで決定論的単一光子生成を目指す。

•Mar 7, 2026•0 citations

Photon extraction enhancement of praseodymium ions in gallium nitride nanopillars

Shin Sato, Shuo Li, Andrew D. Greentree +8 more

Abstract Lanthanoid-doped Gallium Nitride (GaN) integrated into nanophotonic technologies is a promising candidate for room-temperature quantum photon sources for quantum technology applications. We manufactured praseodymium (Pr)-doped GaN nanopillars of varying size, and showed significantly enhanced room-temperature photon extraction efficiency compared to unstructured Pr-doped GaN. Implanted Pr ions in GaN show two main emission peaks at 650.3 nm and 651.8 nm which are attributed to 3P0-3F2 transition in the 4f-shell. The maximum observed enhancement ratio was 23.5 for 200 nm diameter circular pillars, which can be divided into the emitted photon extraction enhancement by a factor of 4.5 and the photon collection enhancement by a factor of 5.2. The enhancement mechanism is explained by the eigenmode resonance inside the nanopillar. Our study provides a pathway for Lanthanoid-doped GaN nano/micro-scale photon emitters and quantum technology applications.

Scientific Reports•Dec 8, 2022•10 citations

フォトニック結晶によるスローライト生成

T. Baba, 森, 大祐

伝搬が極端に遅い光（スローライト）は,光信号の圧縮,バッファ,畳込み積分演算,ビームフォーミング,吸収・利得や非線形の増大など,様々な効果をもたらす.このような光は,材料や構造の極めて大きな分散を利用することで実現される.特にフォトニック結晶導波路は室温で容易にスローライトを発生させるので,種々のデバイス応用が期待されている.本稿ではスローライトの低速化と周波数帯域の関係など,本質的な課題を解説しながら,スローライトデバイスの可能性を議論する.

•Jun 1, 2006•0 citations
窒化ガリウム半導体(GaN)中の孤立したランタノイドは、室温でも狭い線幅で高輝度の発光を示すことから、単一光子源への応用が期待できる。Prイオン注入したGaN上に様々なサイズのナノピラー構造を形成し、ピラー中Pr3+の3P0 → 3F2遷移に起因する652 nm付近の発光を室温で観察したところ、ピラー構造を持たないGaN中Pr3+よりも高い発光強度を得た。本講演では、励起光強度依存性や発光遷移寿命と併せてそのメカニズムについて議論する。
窒化ガリウム半導体(GaN)中の孤立したプラセオジム(Pr)は固体量子ビットや単一光子源への応用が期待できることから、単一Prからの単一光子発生の観測に向けた最適条件の探索を進めている。今回はイオン注入したPrの活性化率の向上を図るため、最高1200℃までの高温イオン注入を行ったので、その結果について報告する。また、高速熱処理による結晶性の回復や欠陥クラスターの形成について議論する。
光子を1個ずつ任意のタイミングで発生させることのできる単一光子源は、量子情報通信や量子コンピューターといった量子エレクトロニクスの実現において不可欠な要素であり、実用化にあたっては、さらに、室温で電気的に（デバイス）駆動できることが重要となる。窒化ガリウム半導体(GaN)中の孤立した希土類元素では、4f殻内で電子の発光遷移が起こり、狭い線幅で高強度の発光を示すことから、デバイス駆動型単一光子源にとって望ましい性質を有しているといえる。しかし、GaN中の単一希土類元素からの発光を観測した例はこれまでになく、まずは単一光子源の実現のために必要となる条件を明らかにする必要がある。そこで今回は、GaN基板の選定、希土類イオン注入とその後の熱処理条件についての検討を行った。本研究はJSPS科研費JP16K17507の助成を受けたものである。
物質優勢宇宙の謎を解明するための反物質重力測定や 511 keV ガンマ線レーザーを実現することを目指し、電子とその反粒子（陽電子）の束縛系であるポジトロニウム (Ps) のボース・アインシュタイン凝縮の実現を試みている。これには①高密度陽電子発生、②高効率 Ps 生成、③Ps 高速冷却、の 3 つの要素技術開発が必要となる。このうち、②および③に関連する Ps 生成材には、(A) Ps 生成（Ps 生成率 50 %以上）、(B) Ps 濃縮+熱化冷却（50—100 nm 程度の細孔）、(C) Ps レーザー冷却（243 nm 紫外光透過率 80 %以上）の 3 つの機能が要求される。シリカ（二酸化ケイ素、SiO2）エアロゲルが候補材料の一つであり、これまでに、Ps 生成率や空孔中での Ps 寿命、Ps 熱化冷却効率などの評価を進め、シリカエアロゲル表面から真空中に放出した Ps のレーザー冷却に成功するなど、その有用性が示されてきた。一方、2P 状態に励起された Ps (2P-Ps) が空孔中で瞬時に消滅してガンマ線になる現象が、Ps-BEC 実現に必要な空孔中での Ps レーザー冷却を阻害するため、その原理解明が喫緊の課題となっている。本講演では、高密度 Ps 生成・冷却手法開発の最新の状況について概要を紹介し、今後の課題とその解決方針について議論する。
結晶中の孤立したエルビウム(Er)イオンは、室温でも安定した線幅の狭い光通信波長帯Cバンド（波長1.5μm）の発光を示し、長いスピンコヒーレンス時間を有することから、量子技術の構成要素である単一光子源や量子メモリとなりうる有望なスピン量子ビットである。本研究では、窒化物（GaN等）半導体中でErが安定構造を取りうることに着目し、単一のErイオンをGaN薄膜上に形成した光ナノ共振器と結合させることで決定論的単一光子生成を目指す。
Abstract Lanthanoid-doped Gallium Nitride (GaN) integrated into nanophotonic technologies is a promising candidate for room-temperature quantum photon sources for quantum technology applications. We manufactured praseodymium (Pr)-doped GaN nanopillars of varying size, and showed significantly enhanced room-temperature photon extraction efficiency compared to unstructured Pr-doped GaN. Implanted Pr ions in GaN show two main emission peaks at 650.3 nm and 651.8 nm which are attributed to 3P0-3F2 transition in the 4f-shell. The maximum observed enhancement ratio was 23.5 for 200 nm diameter circular pillars, which can be divided into the emitted photon extraction enhancement by a factor of 4.5 and the photon collection enhancement by a factor of 5.2. The enhancement mechanism is explained by the eigenmode resonance inside the nanopillar. Our study provides a pathway for Lanthanoid-doped GaN nano/micro-scale photon emitters and quantum technology applications.
伝搬が極端に遅い光（スローライト）は,光信号の圧縮,バッファ,畳込み積分演算,ビームフォーミング,吸収・利得や非線形の増大など,様々な効果をもたらす.このような光は,材料や構造の極めて大きな分散を利用することで実現される.特にフォトニック結晶導波路は室温で容易にスローライトを発生させるので,種々のデバイス応用が期待されている.本稿ではスローライトの低速化と周波数帯域の関係など,本質的な課題を解説しながら,スローライトデバイスの可能性を議論する.