発表のポイント

• 室温における励起エネルギーの熱散逸時間（数10フェムト秒：1フェムト秒＝千兆分の1秒）を超える速さで光が放射される現象を、酸化亜鉛（ZnO）結晶により世界で初めて実証。
• 通常、固体から光放射は速くても数10ピコ秒（1ピコ秒＝1兆分の1秒）以上かかるとされるが、今回、ZnOの光学現象を説明する新理論を、高品質試料による実験データと精緻に突き合わせ、先例のない超高速光放射（10フェムト秒台）の確認に成功。
• 熱散逸時間より速い光学現象では原理的に熱発生がないため、従来のエネルギー効率の限界を大きく超える、次世代の超低エネルギー消費型光デバイス実現への新しい指導原理として期待される。

概要

（a）高品質ZnO試料の原子間力顕微鏡像、（b）ZnO特有の二重の電子帯構造、（c）二重の電子帯構造による双子のアンテナとその協力的光放射の概念図、（d）実験実証された10fs台の高速光放射

石原 一 教授（大阪府立大学 工学研究科、大阪大学大学院 基礎工学研究科）、芦田 昌明 教授（大阪大学大学院 基礎工学研究科）、中山 正昭 教授（大阪市立大学 工学研究科）、一宮 正義 准教授（滋賀県立大学 工学部）らの研究チームは、酸化亜鉛（ZnO）の光学特性を説明する新たな理論を開発し、高品質な結晶を用いてこれを検証することにより、室温で熱散逸（解説1）が始まるより短い時間で光が放射される先例のない高速光現象を世界で初めて確認しました。

ZnOは、窒化ガリウム（GaN）などと同程度のバンドギャップ（解説2）を持ち、青色の発光ダイオード、紫外光の半導体レーザー、紫外光を吸収する太陽電池材料など、多岐に渡る応用の可能性が高く注目を集めています。このような材料の光学過程（光を吸収し、再び放射する過程）を高速化することは熱損失のないエネルギー効率の高い光学素子を実現する上で重要な課題です。しかし、これまで高速化への明確な指導原理がなく、通常、吸収したエネルギーを光として放射するには速くとも数10ピコ秒以上かかると考えられていました。

今回、研究チームにより実証された放射時間は10フェムト秒台と、従来に比べて3桁も高速で、また、室温での熱散逸をも凌ぐ速さであるため、熱発生のない（サーマルフリーな）、次世代の超低エネルギー消費型の光学素子に応用できる可能性があります。

本研究成果は、2019年4月20日（日本時間）に米国物理学会速報誌「Physical Review Letters（フィジカル・レビュー・レターズ）」にオンライン掲載されました。

論文タイトル「Synergetic Enhancement of Light-Matter Interaction by Nonlocality and Band Degeneracy in ZnO Thin Films」

• Physical Review Letters（「American Physical Society」Webサイト）
• プレスリリース全文（473KB）

用語解説

解説1 熱散逸

光などを吸収して固体中の電子が高いエネルギー状態になった後に、このエネルギーが固体中の熱となって散逸、すなわち不可逆的に熱エネルギーに変化していく過程。

解説2 バンドギャップ

固体中の電子は特定のエネルギー状態のみが存在する。このようなエネルギー領域をバンドと呼び、エネルギーが存在できない領域はバンドギャップと呼ばれる。通常、電子は価電子帯と呼ばれるバンドに存在するが、光エネルギーを吸収して伝導帯と呼ばれる高いバンドに遷移する。ZnOではエネルギーの近い二種の価電子帯が存在し、複雑な光吸収過程が起こることが知られている。

共同研究機関および助成

本研究は、文部科学省 科学研究費新学術研究領域研究「光圧によるナノ物質操作と秩序の創生」（代表　石原 一）、および同基盤研究（B）「極低温下でのレーザー照射による単結晶微小物質の作製」（代表　芦田 昌明）の支援の下に行われました。