より効率的なペロブスカイトに向けてフォノンをエンジニアリング

November, 19, 2025, Washington--ライス大学Dason Kim率いる研究チームは、ハロゲン化鉛ペロブスカイトの薄膜中の2つの異なる光子を光と強く相互作用させ、まったく新しいハイブリッド物質状態に融合させた。

メタルハロゲン化物ペロブスカイトは、太陽光発電、発光デバイス、エネルギー貯蔵システムなどのエネルギー用途に有望な材料として浮上している。ただし、それらのキャリア移動度は、ガリウムヒ素や他の従来の無機半導体の移動度よりも低く、この制限は主により高い電子-フォノン結合に起因する。

現在、国際的な研究チームは、ペロブスカイト薄膜の電荷キャリア移動度などの基本的な材料特性を変更する可能性のある独自のフォノン制御戦略を開発した(Nat. Commun., doi: 10.1038/s41467-025-63810-7)。「この研究は、ペロブスカイト太陽電池や発光デバイスにおけるフォノンを設計し、それによって電荷輸送と再結合を調整する道を開く。また、真空場効果を利用して材料特性を制御するフォノンベースの量子技術の基盤も確立する」と、研究著者、米国ライス大学(Rice University)のJunichiro Konoは話している。

量子真空
フォノンエンジニアリングは、強力なテラヘルツ放射などの強力な外部レーザ場を使用することで実現できる。最近の研究は、フォノンの特性を制御する方法として、キャビティ共振器の真空場へのフォノンの結合も探求している。たとえば、ペロブスカイトの電子-フォノン相互作用に対するフォノン-光子結合の影響に関する研究では、キャリア移動度の変化は示されなかった。

ただし、実験は基底状態が標準真空である強結合領域で実施された。Konoとチームは、量子真空が固体の振動モード間の相互作用をどのように媒介できるかを解明するために、超強力結合領域におけるこの挙動の調査に着手した。
「ペロブスカイトでは、フォノンは電荷輸送と発光において重要な役割を果たす。超強力結合領域で複数のフォノンをテラヘルツキャビティに結合することで、外部駆動場を必要とせずに、これらの振動を受動的に制御する方法を見つけることを目指した」(Kono)。

相関フォノン放出
研究チームは、室温で2つの光フォノンモードとテラヘルツナノスロットキャビティの間のマルチモード超強力結合を初めて達成した。チームはナノスロット共振器の周波数を調整することに成功し、3つの異なるフォノン-ポラリトン分岐を生成した。理論的分析により、キャビティは異なるフォノンモード間の効果的な相互作用を媒介し、熱平衡状態でも相関したフォノン放出をもたらすことが明らかになった。

このアプローチは、集光および発光技術のためのフォノニック特性をエンジニアリングするための可能な経路を表している。「今後、このようなキャビティ誘起フォノン相関関係がオプトエレクトロニクス材料のキャリア移動度と熱輸送にどのような影響を与えるかを調査する予定である」(Kono)。