円偏光スピンLEDの創製

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スポットライトリサーチ

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第91回目のスポットライトリサーチは、東京工業大学未来産業技術研究所・宗片研究室の西沢望特任助教にお願いしました。

同研究室では、スピンの光学的な操作に向けた基本的概念の確立を目指しており、これに関する研究成果を多数発表しています。

最近では、西沢先生を筆頭著者としてPNAS誌に当該研究成果を報告し、プレスリリースとしても取り上げられました。

“Pure circular polarization electroluminescence at room temperature with spin-polarized light-emitting diodes”
N. Nishizawa, K. Nishibayashi, H. Munekata
PNAS 2017, 8, 1783.　DOI: 10.1073/pnas.1609839114

研究室を主宰する宗片先生より、西沢先生について以下のコメントをいただいています。

西沢さんの最大の強みは、科学的な思い込みなしで人と議論が出来る点と実験実行力です。ここで言う実行力とは、自分にとって未経験あるいは予備知識がないような実験でも、自分の背中を押してやってみる力のことです。要するに、オープンマインドで前向きな人物です。（でもちょっと気が弱いかな。）

それでは研究成果をご覧ください！

Q1. 今回のプレス対象となったのはどんな研究ですか？

本研究は、室温で純粋な円偏光を生成するLED素子の開発に成功したというものです。本研究で開発したスピン発光ダイオード（Spin-LED）（図１）は、金属電極の代わりに磁性体電極を用いてスピン角運動量の揃った電子を注入、再結合させることによって純粋な円偏光を微小な素子に通電するだけで得ることができます。

円偏光は偏光面が回転しながら進行する光で（図２）、有機化学において光学異性体の分離などに用いられてきました。Spin-LEDを用いることで光学活性をもつ生体分子に対してこれまで観察困難であった生命活動を詳細に観察できるようになる可能性があります。また、生体内での癌診断や量子暗号通信、3Dディスプレイなどのレーザーと偏光子の組み合わせでは実現できなかった応用が、Spin-LEDによって実現に近づくものと期待されます（図３）。

図１：スピン発光ダイオードの模式図

図２：光の電場成分（黄色）が光の伝搬軸（z軸）の周りをらせん状に回転する。プレスリリースより。

図３：新しい円偏光光源としての展望

Q2. 本研究テーマについて、自分なりに工夫したところ、思い入れがあるところを教えてください。

私は現職についてから6年ほどSpin-LEDの実用化を目指して研究してきました。

最初の数年は4Kでも円偏光が1～2％しか得られないという状態が続き、いかにスピンを効率よく半導体に入れられるかに日々頭を悩ませていました。そこで、半導体と磁性体の間に1 nmの結晶性アルミナを作ることに成功し、すぐに15％程度の円偏光が得られました。この結晶性アルミナの開発が本研究での最初のブレイクスルーであり、この成功によって数年の苦悩が報われました。この層の開発は、その後のSpin-LED研究においても根幹的な役割を果たしてくれています。

Q3. 研究テーマの難しかったところはどこですか？またそれをどのように乗り越えましたか？

Spin-LED素子自体は、１５年以上前に報告されたものですが、当時は、低温でのみ発光し、円偏光の偏光度も低いものでした。Spin-LEDを実用化するには室温でかつ偏光度100％の円偏光を得る必要があり、そのためには２つの課題を克服する必要がありました。

一つは、磁性体中のスピン偏極した電子を効率よく半導体に注入することです。そのために、欠陥の少ない絶縁層として結晶性のアルミナを半導体上に作製する手法を開発しました。通常の手法ではアルミナは乱雑なアモルファス状態になりやすい物質であるため、先に半導体上に結晶化したアルミニウムの層を作製し、構造を崩さないように低温で長時間酸化することで結晶化した層が得られるようになりました。