シリコンナノ球で実現するバレーフォトニクスの新戦略

原子1層の半導体から生じる光信号を偏光情報を保ったまま大幅に増強

【産学連携対象全学共通分野 Discovery Saga】

数物系科学総合理工工学

【持続可能な開発目標（SDGs）】

【Sagaキーワード】

2026.03.25

概要

自然科学研究機構分子科学研究所の篠北啓介准教授（兼総合研究大学院大学准教授）、呉柊斗大学院生（総合研究大学院大学）、京都大学エネルギー理工学研究所の松田一成教授、神戸大学大学院工学研究科の藤井稔教授、杉本泰准教授、モジタバ・カリミハビル研究員らの研究グループは、原子1層の半導体である単層WS₂にシリコンナノ球を組み合わせることで、第二高調波発生（SHG）の信号を大幅に増強しながら、バレー偏光に由来する円偏光の情報を高い忠実度で保持することに成功しました。
光の周波数を2倍にするSHGは、光通信や量子情報処理において重要な非線形光学過程です。遷移金属ダイカルコゲナイドと呼ばれる原子1層の半導体では、SHGの円偏光状態が「バレー」と呼ばれる電子状態の自由度を直接反映するため、バレートロニクス応用にはSHG信号の増強と円偏光の保持を同時に実現することが不可欠ですが、原子1層の薄さに起因する低い変換効率が大きな課題でした。
本研究では、シリコンナノ球のMie共鳴を利用し、ナノ球の直径を変えることで、最大40倍以上のSHG増強や、約80%の高い円偏光度を保ちながらの信号増強を実現しました。さらに、電気・磁気モードのバランスが偏光保持を決定するメカニズムを数値シミュレーションにより解明し、ナノ球の直径設計によって増強度と偏光保持のバランスを制御できるという普遍的な設計指針を提供しました。本成果は、偏光の自由度を活用した集積型非線形バレーフォトニクスの実現に向けた重要な一歩です。
本研究成果は、国際学術誌『Nano Letters』に、2026年3月18日付でオンライン掲載されました。