旭硝子財団助成研究成果報告2018

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52遊佐　剛60GoYUSA生田　力三61RikizoIKUTA光検出MRI法によるナノスケールイメージングの物性物理への展開(2017採択)Nanoscale imaging by optically detected MRI applied to solid state physics(Project 2017)共振器構造を有する非線形光学結晶を用いた高効率単一光子波長変換(2017採択)Efficient frequency conversion via cavity-enhanced nonlinear optical effect(Project 2017)旭硝子財団　助成研究成果報告（2018）現在医療機関などで利用されている磁気イメージング法(MRI)は，核磁気共鳴(NMR)によって核スピン状態を可視化し診断などに用いる測定法であるが，感度が低いため空間分解能もサブミリメートル程度しかない．本研究では，光検出MRI法をさらに発展させ，さまざまな低次元系の物理現象の解明を目指した．特に従来から研究を行っている量子ホール系に代表されるガリウムヒ素(GaAs)系に加え，二次元層状物質のインジウムセレン(InSe)や，窒化ガリウム(GaN)系等において発現する新奇な物理現象について探索した．Magnetic Resonance Imaging (MRI) is widely used method, such as in hospicals, to visualize nuclear spin state by Nuclear Mangetic Resonance (NMR). MRI is, however, spatial resolution is sub-milimeters because sensitivety is limited by the princepal of NMR. In this research, we developed optically detec-ted MRI and applied to study the low-dimentioal semiconductor physcs. In addition ot galium arsenide (GaAs), which has been studied for decades, we studied galium nitride and van der Waals layerd mater-ials, such as InSe.2次の非線形光学結晶を用いた3光混合により確率1で単一光子波長変換を行うためには，通常ワットレベル近くの強い励起光パワーを必要とする．量子情報処理システムの大規模化のためには，より低いパワーの励起光による効率的な波長変換が強く求められる．本研究では，2次の非線形光学素子として分極反転構造型ニオブ酸リチウムを用い，これを共振器の中に閉じ込めることにより，効率的な波長変換実現を目指した．共振器は，励起光1600nmのみを閉じ込め，信号光子780nmと変換光子1522nmに対しては無反射となる単一共鳴構造である．共振器の特性評価を行ったところ，ほぼ設計通りの共振構造が得られたことを確認した．この素子を用いて波長変換行った実験について報告する．Deterministic frequency conversion of a single photon by second-order nonlinearity needs a watt-level pump light. In order to realize a large-scale quantum information processing, effective frequency conversion by a lower pump power is demanded. In order to achieve such effective frequency conversion, we use a periodically-poled lithium niobate as a second-order nonlinear optical crystal in a cavity structure. We designed the cavity as a singly resonant type which confines only a pump light at 1600 nm but does not confine a signal light at 780 nm and a converted light at 1522 nm. We observed the cavity resonant peaks and spacing of them as we expected. We report our experiments employing the device.