科学者チームがエキシトンを使った量子材料操作の新手法を開発し、強力なレーザーの必要性を回避。沖縄科学技術大学院大学とスタンフォード大学主導のアプローチは、はるかに少ないエネルギーで強いフロケット効果を実現し、材料損傷のリスクを低減。Nature Physicsに掲載された成果は、先進量子デバイスへの道を開く。
科学者らは長年、フロケット工学を探求してきた。これは、光などの周期的影響を利用して材料の電子特性を一時的に変化させる手法である。2009年にOkaとAokiが提案したこの分野は、極めて強力な光が必要で、サンプルを損傷させ、短命な効果しか得られないという課題に直面してきた。 今、沖縄科学技術大学院大学（OIST）、スタンフォード大学、および共同研究者らが、より効率的な代替手法を実証した：エキシトニック・フロケット工学。エキシトンは、半導体で形成される短命な電子と正孔のペアで、クーロン力により材料と強く相互作用する。特に2次元構造で顕著だ。「エキシトンは、強いクーロン相互作用により、特に2D材料で、光子より材料に強く結合する」とOISTのフェムト秒分光ユニットのKeshav Dani教授が説明した。これにより、従来の光ベース手法の高エネルギーの破壊性を伴わずに強力な量子改変が可能になる。 チームは、原子薄の半導体で時間・角度分解光電子分光（TR-ARPES）を使用した。まず強い光学駆動を施して標準的なフロケット挙動を観察し、次に光強度を1桁以上減らし、200フェムト秒後に応答を測定してエキシトン効果を分離した。「光でフロケット複製を観察するには数十時間のデータ取得が必要だったが、エキシトニック・フロケットはわずか2時間程度で、より強い効果を得られた」と、現在カリフォルニア工科大学にいるVivek Pareek博士が語った。 OISTの博士課程学生Xing Zhu氏は、光は物質に弱く結合し、材料を蒸発させるリスクのあるフェムト秒スケールの周波数が必要だと指摘した。一方、材料自身の電子から生まれるエキシトンは、低強度で調整可能な自己発振エネルギーを提供する。共同著者のローマ・トル・ヴェルガタ大学のGianluca Stefanucci教授は、密集したエキシトン人口を作成するには大幅に少ない光で十分で、有効な周期駆動によるハイブリダイゼーションが可能だと付け加えた。 この画期的な成果は、フォトンを超えてフォノンやプラズモンなどの他のボゾン粒子へのフロケット効果を拡大し、実用的な量子材料設計への道を開く。「さまざまなボゾンへの応用フロケット物理学の門戸を開いた」と、現在University College LondonにいるDavid Bacon博士が結論づけた。本研究はNature Physics（2026, DOI: 10.1038/s41567-025-03132-z）に掲載。