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NTTと東北大、集積化可能なレーザ冷却の新手法を半導体チップ上で実証

October, 27, 2015, 東京/仙台--日本電信電話(NTT)と東北大学(東北大)は共同で、高感度センサや高精度発振器に広く用いられているメカニカル振動子の熱ノイズを、レーザ光を照射するだけで低減できる新しい原理のレーザ冷却手法を実現した。
 この研究成果は、精密な光共振器を必要としない簡便で拡張性の高いノイズ低減の手法として「ネイチャー・コミュニケーションズ」誌電子版に掲載された。
 研究チームが動作の実現に成功したメカニカル振動子の心臓部は、長さ20µm、幅14µm、厚さ0.4µmの小さな板バネ。このメカニカル振動子は極めて軽量であるため、熱エネルギーによるランダムな振動(熱ノイズ)が発生する。研究チームは、光学特性と圧電特性に優れたガリウム砒素(GaAs)とアルミガリウム砒素(AlGaAs)の2層構造を用いて振動子を作製することにより、レーザ光を振動子に照射するだけで熱ノイズを抑えることに成功した。光共振器を用いずにメカニカル振動子のレーザ冷却を実現したのは、世界初。

技術のポイント
(1)優れた光学特性を有する半導体2層構造の利用
 GaAsとAlGaAsによる多層構造は、特徴的で優れた光学特性を持つ半導体薄膜材料として知られており、古くから発光・受光素子として用いられてきた。研究チームは、高品質の結晶成長技術と微細加工技術を駆使してGaAsとAlGaAsの2層構造からなるメカニカル振動子を作製。この構造では加工によるダメージが極めて小さく、鋭い光吸収特性を有することが確認された。この鋭い吸収特性は、これまで用いられてきた光共振器と類似の役割を果たし、レーザ冷却を実現する。

(2) 圧電効果を用いた振動の制御
 GaAs/AlGaAsが有する圧電効果を活用し、吸収された光が引き起こす制動力により熱振動を抑えることに成功。地震による建物の揺れを抑える技術としてアクティブ制振技術が昨今注目されている。この技術では、建物の揺れをすばやく検出し、それを抑える方向の制動力を外部から加えることにより振動を減衰させる。研究チームは、光吸収によって生じた内部電圧を圧電効果により制動力に変換し、熱振動を半分に抑えることに成功した。

 研究チームによると、今回の原理実証実験では熱振動の抑制効果は半分程度。今後は構造の最適化を行うことにより、より大きな冷却効果を実現していく。また、レーザ素子との集積化や室温動作を実現し、半導体集積素子としての応用可能性を探っていく。その上で、実際の質量や光のセンサへの応用を進めて行く予定。
(詳細は、www.ntt.co.jp)