室温で発光、円偏光スピンLEDの試作に成功：中間層に結晶性アルミナを採用

ガン細胞の検出や暗号通信などへの応用に期待

　東京工業大学科学技術創成研究院未来産業技術研究所の西沢望特任助教、宗片比呂夫教授らは2017年2月、室温で発光する円偏光スピンLEDの試作に初めて成功したと発表した。将来は円偏光を利用して、ガン細胞の検出や暗号通信などが可能になるとみられている。

　円偏光は、光の波の振動面（偏光面）が、右または左方向に回転しながら進むらせん状の光で、合成化学産業の分野などで活用されているという。ところが、分光器やフィルターなどを利用したこれまでの作製方法だと、光源とフィルターを高い精度で位置合わせする必要があることや、円偏光の回転向きを切り替える速度が遅いなど、いくつかの課題もあった。

　宗片研究室では今回、独自開発した「結晶性アルミナ中間層」を用いてLEDを試作した。これにより、これまで大電流を流した時に課題となっていた、半導体と磁性体金属の接合面における化学変化を抑えこむことに成功した。この技術を用いて試作したスピンLEDは、小さい電流を流している時は、偏光のない自然光に近い発光となる。ところが、電流を大きくして発光強度を上げると円偏光の純度が上昇して、室温でも純粋な円偏光を発することが分かった。このことから研究グループでは、ダイオード中で発生した強い発光自体に、円偏光を増幅する効果があると推定している。

結晶性AlOxトンネルバリアの拡大像 出典：東京工業大学

　研究グループは今後、結晶性アルミナ中間層の品質向上と円偏光を発する小型レーザーの開発に取り組む方針だ。結晶性アルミナ中間層は現状だと、大電流を通電した状態で耐久性が1週間程度にとどまっている。実用化に向けてこれを向上させていく。これらの研究を続けていく中で、今回判明した「円偏光が増幅する原理」も解き明かしていく考えである。

　今回の研究成果をベースに、半導体素子の小型化や集積化が進めば、新光源としての新たな用途が期待できるという。その一例として研究グループは、内視鏡に組み込んでガン細胞を検出することや、特殊な暗号通信の伝送光としての応用などを挙げた。

円偏光スピンLEDの応用例 出典：東京工業大学

　なお、研究成果の詳細については、2017年2月8日に米国科学アカデミー紀要（PNAS）でオンライン掲載された。